FR3061743A1

FR3061743A1 - Prechambre d'allumage a clapet

Info

Publication number: FR3061743A1
Application number: FR1750264A
Authority: FR
Inventors: Vianney Rabhi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-13
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: CA3048883A1; FR3061743B1; JP7214638B2; JP2020505542A; CN110291278B; CN110291278A; AU2018207981B2; WO2018130772A1; KR102581717B1; AU2018207981A1; KR20190104551A; EP3568579A1

Abstract

La préchambre d'allumage à clapet (1) est prévue pour un moteur à combustion interne (2) qui présente une chambre de combustion (5) dans laquelle est mise à feu une charge principale (30) plus ou moins diluée avec un gaz neutre, ladite préchambre (1) comprenant une cavité de stratification (6) dans laquelle débouchent des moyens d'allumage (11) et dans laquelle un injecteur de stratification (8) peut injecter sous pression une charge pilote (9) facilement inflammable, un clapet de stratification (13) pouvant obturer en tout ou partie le conduit de stratification (7) notamment sous l'effet de la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion (11).

Description

Titulaire(s) :

RABHI VIANNEY.

O Demande(s) d’extension :

® Mandataire(s) : COLBERT INNOVATION.

® PRECHAMBRE D'ALLUMAGE A CLAPET.

@) La préchambre d'allumage à clapet (1) est prévue pour un moteur à combustion interne (2) qui présente une chambre de combustion (5) dans laquelle est mise à feu une charge principale (30) plus ou moins diluée avec un gaz neutre, ladite préchambre (1) comprenant une cavité de stratification (6) dans laquelle débouchent des moyens d'allumage (11 ) et dans laquelle un injecteur de stratification (8) peut injecter sous pression une charge pilote (9) facilement inflammable, un clapet de stratification (13) pouvant obturer en tout ou partie le conduit de stratification (7) notamment sous l'effet de la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion (11).

PRECHAMBRE D’ALLUMAGE A CLAPET

La présente invention a pour objet une préchambre d’allumage à clapet qui permet d’allumer une charge principale introduite dans la chambre de combustion d’un moteur thermique à combustion interne au moyen d’une charge pilote mise à feu par une étincelle, ladite préchambre étant conçue pour optimiser l’efficacité de ladite charge pilote à allumer ladite charge principale.

Le rendement maximal et moyen des moteurs thermiques à combustion interne alternatifs selon l’état de l’art est relativement faible. En automobile, ledit rendement maximal est de l’ordre de trente-cinq pour cent s’agissant des moteurs à allumage commandé à cycle d’Otto, et de l’ordre de quarante pour cent dans le cas des moteurs à cycle de Diesel. En ce qui concerne le rendement moyen en usage courant des moteurs automobiles, il est le plus souvent inférieur à vingt pour cents pour les moteurs à allumage commandé, et à vingt cinq pour cent pour les moteurs Diesel.

Dans lesdits moteurs, la fraction de l’énergie libérée par la combustion du carburant et qui n’est pas transformée en travail utile est principalement dissipée sous forme de chaleur dans le système de refroidissement et à l’échappement desdits moteurs.

Outre un rendement médiocre, les moteurs thermiques à combustion interne alternatifs utilisés en automobile produisent des gaz polluants et des particules nuisibles à l’environnement et à la santé.

Malgré ces caractéristiques peu avantageuses, faute d’autres solutions offrant un meilleur compromis énergétique, environnemental, fonctionnel, et économique, les moteurs thermiques à combustion interne à cycle d’Otto ou de Diesel équipent la quasi totalité des véhicules automobiles en circulation dans le monde.

Cette situation explique les efforts significatifs de recherche et développement consentis par les motoristes pour améliorer par tous moyens le bilan énergétique et environnemental des moteurs thermiques à combustion interne. Lesdits efforts visent notamment à perfectionner les technologies qui constituent lesdits moteurs, et à ajouter à ces derniers des fonctionnalités nouvelles qui permettent la mise en œuvre de stratégies nouvelles.

Parmi ces stratégies figure la dilution de la charge en air et carburant des moteurs thermiques à combustion interne alternatifs soit avec un gaz neutre, soit avec de l’air frais riche en oxygène.

C’est à ladite dilution que s’adresse la présente invention qui est particulièrement destinée aux moteurs thermiques à combustion interne alternatifs à allumage commandé qui consomment le plus souvent soit de l’essence, soit du gaz naturel.

Diluer la charge des moteurs à allumage commandé avec de l’air frais ou avec des gaz d’échappement préalablement refroidis permet d’augmenter le rendement thermodynamique moyen et/ou maximal desdits moteurs. II en résulte une consommation de carburant réduite à même travail produit.

Lorsque les moteurs à allumage commandé opèrent à couple partiel, introduire une charge diluée dans leur(s) cylindre(s) produit moins de pertes par pompage qu’introduire une charge non-diluée. La réduction desdites pertes provient du fait que la charge diluée est plus volumineuse à même contenu énergétique. Ainsi, pour introduire la même quantité d’énergie dans ledit ou lesdits cylindre(s), le vannage à l’admission desdits moteurs ordinairement réalisé au moyen d’un papillon est moins prononcé, et la pression des gaz qui se présentent à ladite admission est plus élevée.

En outre, à même énergie introduite dans le ou les cylindre(s) des moteurs à allumage commandé, diluer la charge augmente la masse et la capacité calorifique totale de cette dernière. Ainsi, toutes choses étant égales par ailleurs, la combustion de ladite charge s’opère à plus basse température. Outre réduire la quantité d’oxydes d’azotes produite par la combustion, ladite basse température réduit les pertes thermiques aux parois du ou des cylindre(s) qui résultent de la cession par ladite charge d’une partie de sa chaleur aux dites parois.

Enfin, particulièrement si la charge est diluée avec un gaz neutre pauvre en oxygène voire dénué d’oxygène, ladite charge est moins sensible à l’auto-inflammation incontrôlée du mélange air-carburant. Ladite auto-inflammation est responsable du cliquetis, phénomène indésirable caractérisé par une combustion détonante qui détériore le rendement des moteurs à allumage commandé et qui endommage les composants mécaniques qui les constituent. La désensibilisation au cliquetis que procure la dilution de la charge permet aux dits moteurs soit d’opérer à taux de compression plus élevé, soit d’opérer avec un allumage qui est déclenché au moment le plus propice possible au rendement, soit les deux.

Dans ce contexte particulier des charges en air et carburant diluées, on distingue les moteurs à allumage commandé opérant à la stœchiométrie desdits moteurs opérant en excès d’air dits aussi « à mélange pauvre ».

Les moteurs opérant à la stœchiométrie sont seuls compatibles avec un catalyseur troisvoies, appareil connu en soi qui post-traite les polluants issus de la combustion. Ledit catalyseur se charge de brûler les hydrocarbures qui n’ont pas été brûlés dans la chambre de combustion du moteur thermique. Les produits de cette combustion sont de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone déjà présents dans l’atmosphère. Ledit catalyseur troisvoies finalise aussi l’oxydation du monoxyde de carbone notoirement polluant pour le transformer également en dioxyde de carbone, et réduit les oxydes d’azote pour les transformer en diazote atmosphérique qui constitue environ soixante dix-huit pour cent de l’atmosphère terrestre, et qui est par nature non-polluant.

La réduction des oxydes d’azote par la catalyse trois-voies nécessite que la charge introduite dans le moteur soit stœchiométrique, c’est à dire qu’elle contienne la juste quantité d’oxygène nécessaire à la combustion des hydrocarbures contenus dans ladite charge.

Un excès d’oxygène rend impossible la réduction des oxydes d’azote par le catalyseur troisvoies. Il n’est donc pas possible de post-traiter les oxydes d’azote contenus dans les gaz d’échappement des moteurs opérant en excès d’air au moyen d’un catalyseur trois-voies.

Ceci explique pourquoi - pour répondre aux réglementations environnementales toujours plus contraignantes - les moteurs opérant en excès d’air reçoivent désormais un appareil spécialement prévu pour réduire les oxydes d’azote tel qu’un piège à oxydes d’azote ou un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote à l’urée. Ledit appareil est généralement placé en sortie d’un catalyseur d’oxydation à deux voies qui aura préalablement brûlé les hydrocarbures imbrûlés et qui aura parachevé l’oxydation du monoxyde de carbone, et de plus en plus souvent, d’un filtre à particules.

Les moteurs Diesel opérant naturellement en excès d’air, depuis l’entrée en vigueur de la norme Euro VI en Europe, la quasi totalité des automobiles Diesel européennes sont équipées d’un appareil qui post-traite les oxydes d’azote pour les transformer en diazote.

Le problème de ces appareils est qu’ils sont chers, complexes, et que leur encombrement et leurs contraintes de maintenance sont élevés au point que lesdits appareils ne sont quasiment utilisés que sur les moteurs Diesel qui ne peuvent en pratique fonctionner qu’en excès d’air.

S’agissant des moteurs à allumage commandé, les motoristes s’efforcent par tous moyens de les faire fonctionner à la stœchiométrie pour qu’ils restent compatibles avec un catalyseur trois-voies au demeurant simple et bon marché.

Pour bénéficier de la réduction de la consommation de carburant induite par la dilution de la charge des moteurs à allumage commandé sans avoir à subir les inconvénients notamment économiques d’un piège à oxydes d’azote ou d’un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote à l’urée, il est donc nécessaire de diluer ladite charge desdits moteurs non pas avec de l’air riche en oxygène, mais avec un gaz neutre dénué d’oxygène.

Ce dernier gaz est usuellement fourni par le recyclage des gaz d’échappement du moteur lui-même, lesdits gaz ne contenant plus d’oxygène et étant disponibles et abondants. Cette stratégie est connue sous l’appellation de « recirculation des gaz d’échappement » et plus précisément sous l’acronyme anglo-saxon « EGR » valant pour « Exhaust Gas Recirculation ».

Lesdits gaz sortant à haute température à l’échappement du moteur à allumage commandé, pour éviter qu’ils ne réchauffent exagérément la charge introduite dans ledit moteur, il est nécessaire d’en réduire la température avant de les mélanger avec les gaz frais. Cette stratégie est connue sous l’appellation anglo-saxonne de « Cooled EGR », laquelle précise que les gaz d’échappement recirculés sont refroidis préalablement à leur mélange avec les gaz frais admis par ledit moteur. Les motoristes francophones utilisent finalement le terme « franglais » de « EGR refroidi », aisément compréhensible et facile à utiliser.

Le refroidissement préalable des gaz d’EGR est nécessaire à deux titres au moins.

Premièrement, il faut que la température du mélange gaz-EGR/gaz-frais admis par le moteur à allumage commandé reste basse pour que le rendement volumétrique dudit moteur reste élevé lorsqu’il opère à plein couple. En effet, pour une pression d’admission donnée, la masse de dit mélange introduite dans le ou les cylindre(s) dudit moteur est d’autant plus importante que ledit mélange est froid. Le refroidissement préalable des gaz d’EGR est rendu encore plus indispensable si ledit moteur est suralimenté par un turbocompresseur ou par tout autre moyen.

Deuxièmement, plus le mélange gaz-EGR/gaz-frais est chaud, plus il favorise l’apparition du cliquetis lequel est défavorable au rendement dudit moteur.

Le problème est que la charge diluée à l’EGR refroidi est pauvre en oxygène. Ceci est paradoxal puisque c’est par ailleurs le but recherché notamment pour que la charge reste stoechiométrique et résistante au cliquetis. Il résulte de cet appauvrissement en oxygène une initiation de la combustion plus difficile à obtenir et un développement de la combustion plus lent que lorsque ladite charge est non-diluée à l’EGR refroidi.

Dans un moteur à allumage commandé, l’initialisation de la combustion s’opère en créant un arc électrique à haute température entre deux électrodes distantes l’une de l’autre de quelques dixièmes de millimètres.

Lorsque la charge en air-carburant est fortement diluée avec de l’EGR refroidi, l’arc électrique traverse un mélange globalement pauvre en oxygène et en carburant. Le risque d’un raté d’allumage augmente si d’aventure, l’espace de quelques dixièmes de millimètres qui sépare la cathode de l’anode de la bougie d’allumage ne contient pas un mélange gazEGR/gaz-frais suffisamment brûlable car en effet, des hétérogénéités se créent inévitablement dans l’espace tridimensionnel de la chambre de combustion, avec des poches plus riches en oxygène et/ou en carburant que d’autres.

Si la combustion s’initialise comme souhaité, l’énergie du carburant que contient la charge commence à se libérer sous forme de chaleur et la flamme entame son développement. Pour cela, par approches successives, ladite flamme communique sa chaleur au mélange gaz-EGR/gaz-frais environnant, couche brûlable après couche brûlable. Chaque couche est portée à sa température d’inflammation par la couche précédente, brûle, et libère de la chaleur qu’elle communique à la couche suivante et ainsi de suite. Selon le principe de la réaction en chaîne, la flamme se propage dans l’espace tridimensionnel de la chambre de combustion du moteur à allumage commandé.

Le principal problème de l’EGR refroidi est qu’il rend difficile l’initialisation de la combustion, puis ralentit considérablement le développement de cette dernière à la fois à cause de la réduction globale de sa température, et à cause des hétérogénéités de richesse en comburant et/ou carburant trouvées dans le volume de la chambre de combustion et donc, sur le parcours de la flamme.

On constate d’ailleurs expérimentalement que plus la teneur de la charge en EGR refroidi augmente, plus le moteur devient instable. A partir d’une certaine dite teneur, des ratés d’allumage surviennent et le rendement - qui jusqu’alors avait tendance à augmenter avec la teneur en EGR refroidi de la charge - décroît. Au-delà d’une certaine teneur en dit EGR, le moteur à allumage commandé s’arrête, la combustion ne parvenant plus à s’initialiser.

On remarque aussi que la teneur des gaz d’échappement en hydrocarbures imbrûlés et en monoxyde de carbone augmente parallèlement à la teneur en EGR refroidi de la charge. Ceci provient à la fois de poches de mélange trop pauvres pour brûler convenablement rencontrées par la flamme sur son parcours, et de l’épaississement de la couche limite de coincement de flamme à proximité des parois internes froides de la chambre de combustion du moteur.

Toujours de manière expérimentale, on constate aussi que plus la puissance d’allumage est importante, plus il est possible d’augmenter la teneur en EGR refroidi de la charge sans trop altérer la stabilité du moteur.

A ce titre, de nombreux laboratoires de recherche - tels que le « South West Research Institute » aux Etats-Unis - ont développé des dispositifs d’allumage électriques de plus en plus puissants de sorte à reculer les limites accessibles de teneur en EGR refroidi de la charge. La finalité de cette stratégie reste bien entendu d’améliorer le rendement du moteur à allumage commandé.

Le problème de la surenchère à la puissance des allumages électriques est que leur rendement décroît rapidement avec leur puissance. Il faut donc toujours plus de puissance électrique pour obtenir de moins en moins de puissance d’allumage additionnelle.

En outre, une puissance électrique élevée n’a d’intérêt que si l’on éloigne les électrodes de la bougie l’une de l’autre pour donner plus de chances à l’étincelle de traverser une poche brûlable, ou alors que l’on augmente la durée de l’étincelle, ou que l’on répète l’étincelle. Ceci conduit à des tensions et à des puissances électriques de plus en plus élevées qui complexifient la réalisation des isolants électriques de la bougie d’allumage tout en réduisant drastiquement la durée de vie de cette dernière.

La difficulté à allumer la charge provient aussi du fait que l’EGR refroidi est d’autant plus intéressant sur des moteurs à allumage commandé suralimentés dont on cherche par tous moyens à réduire la sensibilité au cliquetis. Or, plus la pression de suralimentation est élevée, plus la densité du mélange gaz-EGR/gaz-frais est importante entre les électrodes de la bougie au moment du déclenchement de l’étincelle, et plus il faut de tension pour provoquer ladite étincelle. De ce point de vue, l’EGR refroidi ne va pas dans la bonne direction puisqu’à même énergie introduite dans le cylindre du moteur, la masse de gaz qui se trouve entre les électrodes augmente de même que la résistance dudit gaz à l’inflammation.

On note que le brevet N° FR 2 986 564 appartenant au demandeur constitue une réponse robuste à ces problèmes. Le dispositif d’allumage par étincelle et stratification haute-pression pour moteur à combustion interne dont il est question dans ledit brevet propose d’injecter sous haute pression, au centre de la bougie d’allumage et peu de temps avant le déclenchement de l’étincelle, une charge pilote approximativement stoechiométrique, hautement brûlable car non diluée à l’EGR refroidi, et potentiellement légèrement riche en carburant.

Une fois injectée par ledit dispositif, ladite charge pilote baignant les électrodes de la bougie, dès qu’un arc électrique se forme entre lesdites électrodes, ladite charge s’enflamme immédiatement et libère l’énergie qu’elle contient. Ainsi, ladite charge elle-même constitue t-elle le moyen d’allumage en soi dont la puissance est de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois plus importante que celle de l’arc électrique qui a permis de la mettre à feu. Il est pratiquement impossible d’obtenir une telle puissance d’allumage avec des moyens électriques seuls.

L’expérience démontre d’ailleurs que des taux d’EGR refroidi de l’ordre de cinquante pour cent sont possibles avec un tel dispositif contre de l’ordre de trente pour cent seulement avec les seuls dispositifs d’allumage électrique les plus puissants qui soient.

On notera que l’approche retenue dans le brevet N° FR 2 986 564 se retrouve sous des formes apparentées dans le brevet N° US 4 319 552 des inventeurs Fred N. Sauer et J. Brian Barry, ou dans le brevet N° DE 41 40 962 A1 appartenant à la société « Bosch ».

En tout état de cause, le brevet N° US6564770 de la société « Orbital » n’entre pas dans cette catégorie car il s’agit selon ce brevet d’assurer à relativement basse pression la constitution d’une charge principale la plus homogène possible, et non pas de former une charge pilote à des fins d’allumage d’une charge principale hautement diluée à l’EGR.

Le problème du dispositif décrit par le brevet N° FR 2 986 564 et dans les brevets apparentés tels qu’ils viennent d’être listés réside non pas dans l’initialisation de la combustion qui est très performante, mais dans le développement de ladite combustion. Notamment, lorsque la fraction brûlée du carburant que contient la charge principale atteint les cinquante pourcents environ, la combustion peine à progresser de sorte que le temps total requis pour brûler l’entièreté de la charge principale est plus important que le temps requis pour brûler l’entièreté d’une charge principale non-diluée à l’EGR refroidi.

Il résulte de ceci qu’une partie du gain énergétique potentiel de l’EGR refroidi est perdue à cause d’une combustion qui se développe trop lentement.

Or, le maximum de bénéfice de l’EGR refroidi serait trouvé s’il était possible d’opérer un moteur à allumage commandé simultanément avec une charge principale dont la teneur en EGR refroidi est de l’ordre de cinquante pour cent d’une part, et avec une stabilité et une durée totale de combustion comparables à celles trouvées sur le même dit moteur lorsque ce dernier brûle une charge non-diluée d’autre part.

La solution pourrait provenir de l’utilisation d’une préchambre dans laquelle serait introduite la charge pilote, ladite préchambre pouvant héberger les électrodes de la bougie et même, faire partie intégrante de ladite bougie comme le propose le brevet N° US 4 319 552.

Le premier avantage d’une telle préchambre est qu’elle maintient potentiellement la charge pilote au plus proche des électrodes de la bougie, ce qui peut limiter la dispersion de ladite charge dans la chambre de combustion principale du moteur à allumage commandé avant la mise à feu de ladite charge.

Le deuxième avantage de ladite préchambre est qu’une fois mise à feu, la charge pilote pressurise ladite préchambre laquelle envoie des torches de gaz brûlants à haute vitesse dans la chambre de combustion principale du moteur à allumage commandé via des orifices que comporte ladite préchambre.

Cette mise à feu de la charge principale au moyen de torches est très efficace car au lieu de partir du centre de la chambre de combustion comme c’est le cas avec une bougie d’allumage ordinaire, la flamme s’initialise en de multiples endroits de la chambre combustion, et se développe radialement depuis la périphérie de la chambre vers le centre de la chambre, et tangentiellement entre chaque torche.

L’énergie du carburant s’en retrouve libérée en un temps très court, ce qui est favorable au rendement thermodynamique du moteur à allumage commandé car non seulement la détente est plus productive en travail, mais la moindre sensibilité au cliquetis qui découle d’une combustion aussi rapide permet d’opérer ledit moteur avec un rapport volumétrique significativement plus élevé.

En tout état de cause, le brevet N° US 4 319 552 ou la solution proposée dans le brevet FR 2 986 564 appartenant au demandeur ou dans les brevets apparentés précédemment évoqués ne peuvent se comparer à la multitude de brevets qui injectent du carburant seul dans une préchambre ou non, et non un mélange constitué d’air et de carburant.

Parmi ces brevets, on citera par exemple ceux connus sous le N°GB2 311 327 A de « Fluid Research Limited », le N° US 4,864,989 de « Tice Technology Corp », le N° US 4,124,000 de « General Motors », le N° US 4,239,023 de « Ford Motor Company », le N° US 4,892,070 de l’inventeur Dieter Kuhnert, le N° US 2001/0050069 A1 des inventeurs Radu Oprea et Edward Rakosi, ou encore le brevet N° US 2012/0103302 A1 de l’inventeur William Attard sur le principe duquel est fondé le système d’allumage « Turbulent Jet Ignition » développé par la société allemande « Mahle » pour les moteurs de Formule 1.

Il existe en effet une différence fondamentale entre les solutions exposées dans ces derniers brevets qui s’adressent aux moteurs à allumage commandé dits « à mélange pauvre » et qui n’ont pour objectif que d’enrichir la charge en carburant autour du point d’allumage au motif que la charge dans son ensemble est pauvre en carburant mais riche en oxygène, et les solutions exposées dans le brevet FR 2 986 564 et brevets apparentés qui s’adressent quant à eux principalement aux moteurs à allumage commandé opérants avec une charge fortement diluée à l’EGR refroidi et qui ont pour objectif de constituer un mélange riche en carburant ET en oxygène autour du point d’allumage, au motif que la charge dans son ensemble est pauvre en carburant ET en oxygène.

A ce stade, on a vu qu’injecter une charge pilote hautement brûlable constituée d’air et de carburant pour envelopper les électrodes de la bougie avec ladite charge comme le propose le brevet N° FR 2 986 564 permet d’allumer efficacement une charge principale fortement diluée à l’EGR.

On a aussi vu qu’une fois allumée ladite charge principale, la combustion se développe rapidement jusqu’à ce qu’environ cinquante pour cent de la quantité totale de carburant contenue dans la dite charge aient été brûlés. Au-delà des dits cinquante pour cent, la combustion se développe plus lentement ce qui fait qu’à partir d’une certaine teneur en EGR de la charge principale, le rendement thermodynamique du moteur à allumage commandé décroît au lieu d’augmenter comme espéré.

On a supposé que si - comme le propose le brevet N° US 4 319 552 - la charge pilote était injectée dans une préchambre dans laquelle sont hébergées les électrodes de la bougie, ce dernier problème de développement de la combustion au delà de cinquante pour cent serait en tout ou partie résolu.

En effet, ladite préchambre éjecterait par ses orifices des torches de gaz brûlants animés d’une grande vitesse qui à la fois initialiseraient la combustion sur une grande longueur radiale autour du point d’allumage, mais aussi, plisseraient le front de flamme ce qui favoriserait le développement de la flamme perpendiculairement aux dites torches.

Pour autant, cette dernière solution peut s’avérer insatisfaisante pour un grand nombre de raisons dont certaines ont conduit à abandonner les dispositifs d’allumage basés sur une préchambre, particulièrement dans le contexte des moteurs à allumage commandé.

En effet, pour être efficace, la préchambre doit présenter un dôme protubérant qui pénètre suffisamment dans la chambre de combustion du moteur pour que les trous qu’expose ledit dôme et par lesquels sont éjectés les gaz brûlants pour former des torches soient positionnés suffisamment à l’intérieur de ladite chambre pour que lesdites torches ne lèchent pas les parois internes froides dudit moteur.

Or, dès que la combustion est initialisée dans la préchambre, les gaz contenus dans cette dernière montent rapidement en pression et sont éjectés à haute vitesse par lesdits trous. Ce faisant, lesdits gaz chauffent ledit dôme.

Une fois initialisée la combustion de la charge principale, la pression régnant dans la chambre de combustion du moteur devient rapidement supérieure à celle régnant dans la préchambre de sorte que des gaz chauds repassent en sens inverse au travers des trous du dôme, chauffant encore ce dernier.

Lors de la détente des gaz par le piston du moteur à allumage commandé, la pression régnant dans ladite préchambre redevient supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion du moteur. En conséquence, les gaz chauds contenus dans la préchambre repassent une troisième fois au travers des dits trous, surchauffant encore ledit dôme.

Or, à partir d’une certaine température, le dôme protubérant se comporte comme une « boule chaude » à l’instar du système d’allumage du moteur à combustion interne inventé par Stuart Herbert-Akroyd et décrit dans le brevet CHD4226 du 4 décembre 1891. Un tel point chaud conduit alors potentiellement à des allumages intempestifs de la charge principale non-commandés par étincelle. Le cliquetis qui peut s’en suivre est de nature à endommager voire à détruire le moteur à allumage commandé.

Une solution peut consister en refroidir intensivement ledit dôme pour éviter qu’il ne constitue un point chaud. Toutefois, l’export de chaleur qui en résulte se fait au détriment d’une part, de l’efficacité des torches de gaz brûlants dont la température et la vélocité sont réduites lors de leur passage au travers des trous aménagés dans ledit dôme, et d’autre part, de l’efficacité thermodynamique du moteur à allumage commandé.

II faut donc impérativement que la préchambre ne puisse pas se comporter comme un dispositif d’allumage à « boule chaude » tel que précédemment évoqué ou du moins, que l’initialisation de la combustion de la charge principale soit bien déclenchée au moment choisi, et non subie à un moment incontrôlé.

Ceci implique de refroidir les parties chaudes de ladite préchambre susceptible de déclencher un auto-allumage, mais ceci doit être fait sans trop diminuer l’efficacité de ladite préchambre à diffuser des torches de gaz brûlants dans l’espace tridimensionnel de la chambre de combustion du moteur qui contient la charge principale.

En outre, on note que la constitution d’une charge pilote air-carburant portée à haute pression n’est pas gratuite au plan énergétique. II faut préalablement comprimer de l’air, ce qui nécessite un compresseur entraîné par le moteur à allumage commandé lui-même, puis injecter du carburant dans ledit air. Une autre stratégie peut consister en directement comprimer un mélange air-carburant constitué préalablement.

Ainsi, du fait de son coût énergétique non-négligeable, à même efficacité d’allumage, plus la masse et la pression de la charge pilote sont petites par rapport à celle de la charge principale, meilleur est le bilan énergétique final du moteur à allumage commandé lorsqu’il opère sous fort taux d’EGR. II faut donc par tous moyens conférer à la charge pilote une efficacité spécifique à allumer la charge principale la plus grande possible, relativement à la masse et à la pression de ladite charge pilote.

En d’autres termes, à même efficacité d’allumage, la charge pilote doit contenir la plus petite quantité de mélange air-carburant possible, mise préalablement sous la pression la plus basse possible.

A ce titre, il faut autant que possible éviter que la charge pilote ne se disperse dans la charge principale avant sa mise à feu car une telle dispersion réduit l’efficacité spécifique de la charge pilote à allumer la charge principale et ne peut se compenser qu’en augmentant la masse de ladite charge pilote, ce qui se fait au détriment du rendement énergétique du moteur à allumage commandé.

La dispersion résulte notamment du temps dont l’injecteur qui introduit la charge pilote dans la préchambre a besoin pour réaliser l’injection de ladite charge pilote sous une pression nécessairement supérieure à celle de la charge principale.

On notera d’ailleurs que la pression d’injection de la charge pilote reste approximativement constante cependant que la pression de la charge principale croît sous l’effet de sa compression consécutive à la remontée du piston du moteur à allumage commandé vers son Point Mort Haut. Le début de l’injection de la charge pilote s’opère donc sous une pression différentielle plus grande que la fin de ladite injection. Il résulte de ceci que la vitesse d’éjection des gaz constitutifs de la charge pilote par l’injecteur est plus grande en début d’injection qu’en fin d’injection.

Avant l’injection de la charge pilote, la pression dans la préchambre est inférieure à celle régnant dans la chambre de compression du moteur. Une partie de la charge principale entre donc d’abord dans ladite préchambre au fur et à mesure qu’est comprimée ladite charge.

Puis, l’injecteur injecte dans la préchambre la charge pilote ce se mélange avec la fraction de la charge principale qui présente une forte teneur en EGR et qui a été préalablement introduite dans ladite préchambre.

La masse de gaz excédentaire due à ladite fraction est alors expulsée hors de la préchambre avec une partie de la charge pilote, laquelle se trouve mélangée avec des gaz à forte teneur en EGR dans et hors de la préchambre.

L’inflammabilité du mélange ainsi constitué d’air, de carburant et d’EGR est donc nécessairement hétérogène dans le volume de la préchambre et hors de la préchambre. L’efficacité de la charge pilote à s’enflammer le plus rapidement possible s’en trouve réduite de même que l’efficacité des torches de gaz brûlants à mettre à feu la charge principale.

Cette baisse d’efficacité ne peut être compensée que par une augmentation de la masse en air et carburant de la charge pilote, ceci au détriment du rendement énergétique global du moteur à allumage commandé.

Idéalement, il faudrait donc éviter par tous moyens de disperser la charge pilote dans la charge principale avant l’allumage de ladite charge pilote.

Ceci ne remet en rien en cause le fait qu’il serait très avantageux d’améliorer le dispositif décrit par le brevet N° FR 2 986 564. En effet, ledit dispositif s’est révélé efficace à initialiser la combustion sous très forts taux d’EGR refroidi et à développer ladite combustion jusqu’à ce qu’une fraction d’environ cinquante pourcent du carburant que contient la charge principale soit brûlée.

L’objectif serait de donner audit dispositif la capacité à développer très rapidement ladite combustion jusqu’à ce qu’une fraction d’au moins quatre vingt dix ou cent pourcent dudit carburant soit brûlée.

Comme précédemment évoqué, ceci pourrait être réalisé au moyen d’une préchambre comme le suggère le brevet N° US 4 319 552, mais à la seule condition de contourner les défauts notoires voire rédhibitoires d’une telle dite préchambre. Pour cela, il faut améliorer significativement l’efficacité de ladite préchambre ce qui implique notamment d’éviter qu’elle ne se comporte comme une « boule chaude », d’éviter que la charge pilote ne soit dispersée dans la chambre principale, et de limiter la quantité d’énergie nécessaire à comprimer ladite charge pilote à même efficacité d’allumage.

L’ensemble de ces objectifs est adressé par la préchambre d’allumage à clapet selon l’invention qui - suivant un mode particulier de réalisation - permet :

• De réduire fortement la charge thermique à laquelle est soumis le dôme protubérant qu’expose la préchambre, ceci en divisant approximativement par trois le nombre de passage des gaz brûlants au travers des trous que présente ledit dôme et par lesquels sont éjectés lesdits gaz, et ceci afin d’éviter que ledit dôme ne soit porté à trop haute température et ne constitue un point chaud susceptible de provoquer l’autoinflammation intempestive de la charge principale ;

• De minimiser la masse et la pression de la charge pilote nécessaire non seulement à l’initialisation de la combustion de charges principales fortement diluées à l’EGR, mais aussi au développement rapide de ladite combustion jusqu’à ce que l’intégralité desdites charges principales soient brûlées ;

• Au service de ce dernier objectif, d’éviter la dispersion de la charge pilote dans la charge principale durant l’injection de ladite charge pilote dans la préchambre.

Pour atteindre ces objectifs, la préchambre d’allumage à clapet selon l’invention prévoit :

• De maintenir la préchambre fermée lorsque la pression qui y règne est inférieure à celle régnant dans la chambre de combustion, ceci afin d’éviter des allers-retours intempestifs des gaz brûlants au travers des trous que présente le dôme protubérant et par lesquels ladite préchambre communique avec ladite chambre ;

• De maintenir la préchambre fermée pendant l’essentiel du temps d’injection de la charge pilote de sorte que ladite injection s’opère dans un espace clos dans lequel les gaz de ladite charge pilote ne peuvent pas se mélanger avec les gaz de la charge principale ;

• D’abaisser la masse et la pression d’injection de la charge pilote tout en conservant une pression et une vitesse d’éjection des gaz brûlants élevées au travers des trous que présente le dôme protubérant.

La préchambre d’allumage à clapet est prévue peu chère à fabriquer en grande série pour rester compatible avec les contraintes économiques de la plupart des applications auxquelles elle se destine, y-compris automobiles.

Il est entendu que la préchambre d’allumage à clapet selon l’invention peut s’appliquer à tout moteur à allumage commandé à combustion interne rotatif ou linéaire, quel qu’en soit le type, quel que soit le carburant gazeux, liquide ou solide qu’il consomme, et que sa charge principale soit diluée avec de l’EGR refroidi ou non, avec un gaz neutre de quelque nature que ce soit, ou avec un gaz riche en oxygène ou en tout autre comburant.

Il est aussi entendu que la charge pilote que reçoit la préchambre d’allumage à clapet selon l’invention peut contenir un carburant et/ou un comburant différent du carburant et/ou comburant qui constitue la charge principale du moteur à allumage commandé.

Les autres caractéristiques de la présente invention ont été décrites dans la description et dans les revendications secondaires dépendantes directement ou indirectement de la revendication principale.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention est prévue pour un moteur à combustion interne lequel comporte une culasse qui coiffe un cylindre pour former une chambre de combustion dans laquelle peut être brûlée une charge principale, ladite préchambre comprenant :

• Au moins une cavité de stratification qui d’une part, est aménagée dans la culasse et est reliée à la chambre de combustion par un conduit de stratification et qui d’autre part, reçoit un injecteur de stratification qui peut directement ou indirectement injecter dans ladite cavité une charge pilote préalablement mise sous pression par des moyens de compression, ladite charge étant constituée d’un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable au moyen d’une étincelle ;

• Des moyens d’allumage qui débouchent dans la cavité de stratification et qui peuvent mettre à feu la charge pilote ;

• Un clapet de stratification qui peut obturer en tout ou partie le conduit de stratification et qui expose d’une part, une face côté cavité soumise à la pression des gaz régnant dans la cavité de stratification et d’autre part, une face côté chambre soumise à la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion, ledit clapet de stratification pouvant translater par rapport audit conduit sous l’effet de la pression des gaz soit en direction de la cavité de stratification lorsque ladite pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion, soit en direction de ladite chambre lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification ;

• Au moins une butée de clapet côté cavité qui détermine la position du clapet de stratification la plus proche de la cavité de stratification ;

• Au moins une butée de clapet côté chambre qui détermine la position du clapet de stratification la plus proche de la chambre de combustion.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un clapet de stratification qui obture en tout ou partie le conduit de stratification lorsqu’il est au plus proche de la cavité de stratification tandis qu’il ouvre ledit conduit sur une plus large section lorsqu’il est positionné au plus proche de la chambre de combustion.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend une butée de clapet côté cavité qui est constituée d’un siège d’obturation de clapet aménagé dans le conduit de stratification ou à l’une quelconque des extrémités dudit conduit, ledit siège coopérant avec une portée de clapet côté cavité que présente le clapet de stratification en sa périphérie et/ou en son extrémité.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un siège d’obturation de clapet et une portée de clapet côté cavité qui constituent une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion est supérieure à la pression qui règne dans la cavité de stratification.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend une butée de clapet côté chambre qui est constituée d’un siège d’ouverture de clapet aménagé dans le conduit de stratification ou à l’une quelconque des extrémités dudit conduit, ledit siège coopérant avec une portée de clapet côté chambre que présente le clapet de stratification en sa périphérie et/ou en son extrémité.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un siège d’ouverture de clapet et une portée de clapet côté chambre qui constituent une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un clapet de stratification qui comporte en son pourtour des moyens de guidage qui maintiennent ledit clapet approximativement centré dans le conduit de stratification, et approximativement dans la même orientation longitudinale que ledit conduit et ceci, quelle que soit la position axiale dudit clapet par rapport audit conduit.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention prévoit que lorsque le siège d’ouverture de clapet et la portée de clapet côté chambre sont au contact l’un de l’autre, le clapet de stratification forme avec le conduit de stratification une préchambre d’allumage par torche qui communique simultanément d’une part, avec la cavité de stratification, et d’autre part, avec la chambre de combustion par l’intermédiaire d’au moins un orifice d’éjection des gaz.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend une paroi périphérique interne de la préchambre d’allumage par torche qui est cylindrique tandis que le clapet de stratification présente une périphérie circulaire et est logé à faible jeu radial dans ladite préchambre.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un conduit de stratification qui débouche en saillie dans la chambre de combustion sous la forme d’un dôme d’éjection protubérant qui héberge la préchambre d’allumage par torche et duquel débouche l’orifice d’éjection des gaz.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un siège d’ouverture de clapet qui est aménagé dans le dôme d’éjection protubérant.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention prévoit que lorsque le clapet de stratification est positionné proche de la chambre de combustion c’est à dire au voisinage voire au contact de la butée de clapet côté chambre avec laquelle il coopère, ledit clapet découvre au moins un orifice d’éjection des gaz qui met en relation la cavité de stratification avec la chambre de combustion.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend des moyens d’allumage qui sont constitués d’une bougie d’allumage qui ferme la première extrémité d’un tube de liaison ajouré qui traverse tout ou partie du volume interne de la cavité de stratification et dont le corps est radialement traversé par au moins une lumière radiale qui met en relation l’intérieur dudit tube avec ledit volume interne, tandis que la deuxième extrémité dudit tube reçoit le conduit de stratification et le clapet de stratification, et cependant que l’électrode centrale et l’électrode de masse de ladite bougie sont logées à l’intérieur du tube de liaison ajouré.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend une face côté cavité qui expose un dôme aérodynamique.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend une face côté cavité qui forme une électrode de masse qui fait face à une électrode centrale que comporte une bougie d’allumage cette dernière constituant les moyens d’allumage.

La préchambre d’allumage à clapet suivant la présente invention comprend un clapet de stratification qui est axialement plus épais en sa périphérie laquelle reçoit la portée de clapet côté cavité et la portée de clapet côté chambre, qu’en son centre.

La description qui va suivre en regard des dessins annexés et donnés à titre d’exemples non limitatifs permettra de mieux comprendre l’invention, les caractéristiques qu’elle présente, et les avantages qu’elle est susceptible de procurer :

Figure 1 est une vue en coupe schématique de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention telle qu’elle peut être installée dans la culasse d’un moteur à combustion interne.

Figure 2 est une vue en coupe schématique de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention dont le clapet de stratification peut totalement fermer le conduit de stratification lorsque la portée de clapet côté cavité que présente ledit clapet de stratification est au contact du siège d’obturation de clapet avec lequel elle coopère, tandis que ledit clapet de stratification forme une préchambre d’allumage par torche qui est logée dans un dôme d’éjection protubérant lorsque ledit clapet repose sur sa butée de clapet côté chambre.

Figures 3 à 8 sont des vues rapprochées partielles en coupe schématique de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention et selon la configuration particulière montrée en figure 2, lesdites vues rapprochées illustrant diverses phases de fonctionnement de ladite préchambre.

Figure 9 est une vue en coupe schématique de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention reprenant les caractéristiques principales montrée en figure 2 auxquelles s’ajoute un tube de liaison ajouré radialement traversé par des lumières radiales, ledit tube traversant le volume interne de la cavité de stratification et faisant partie intégrante d’une bougie d’allumage, cependant que la face côté cavité du clapet de stratification forme une électrode de masse qui fait face à une électrode centrale que comporte ladite bougie.

Figure 10 est une vue tridimensionnelle de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 9.

Figure 11 est une vue tridimensionnelle en coupe longitudinale brisée de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 9.

Figure 12 est une vue tridimensionnelle éclatée de la préchambre d’allumage à clapet suivant l’invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 9.

DESCRIPTION DE L’INVENTION :

On a montré en figures 1 à 12 la préchambre d’allumage à clapet 1, divers détails de ses composants, ses variantes, et ses accessoires.

On a vu en figure 1 que la préchambre d’allumage à clapet 1 est spécialement prévue pour un moteur à combustion interne 2 lequel comporte une culasse 3 qui coiffe un cylindre 4 pour former avec un piston 31 une chambre de combustion 5 dans laquelle peut être brûlée une charge principale 30.

On remarque en figures 1 à 12 que la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention comprend au moins une cavité de stratification 6 qui d’une part, est aménagée dans la culasse 3 et est reliée à la chambre de combustion 5 par un conduit de stratification 7 et qui d’autre part, reçoit un injecteur de stratification 8 qui peut directement ou indirectement injecter dans ladite cavité 6 une charge pilote 9 préalablement mise sous pression par des moyens de compression 10.

La charge pilote 9 est selon l’invention constituée d’un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable au moyen d’une étincelle.

En figure 1, 2 et 9, on voit l’injecteur de stratification 8 que prévoit la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention et qui peut, directement ou indirectement via un conduit de sortie d’injecteur 28, injecter la charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6.

L’injecteur de stratification 8 peut être de tout type sans restriction, et être constitué de tout appareil capable d’introduire dans la cavité de stratification 6 selon quelque mode opératoire que ce soit une charge pilote 9 et ceci, que le mélange comburant-carburant AF que contient ladite charge 9 soit formé en amont ou en aval dudit injecteur de stratification 8 avec le concours éventuel d’un autre injecteur soit de gaz, soit de liquide, ou avec le concours d’un carburateur connu en soi.

En outre, la cavité de stratification 6 et le conduit de stratification 7 peuvent avantageusement être revêtus d’un matériau réfractaire connu en soi, ou être faits dudit matériau. A titre de variante, une lame d’air peut être laissée entre au moins une partie de la cavité de stratification 6 et/ou du conduit de stratification 7 d’une part, et la culasse 3 qui reçoit ces composants 6, 7 d’autre part, de sorte à limiter les échanges de chaleur entre lesdits composants 6, 7 et ladite culasse 3.

On remarque aussi en figures 1 à 12 que la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention comprend des moyens d’allumage 11 qui débouchent dans la cavité de stratification 6 et qui peuvent mettre à feu la charge pilote 9, lesdits moyens 11 pouvant être constitués d’une bougie d’allumage 12 connue en soi.

Toujours en figures 1 à 12, on remarque que la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention comprend un clapet de stratification 13 qui peut obturer en tout ou partie le conduit de stratification 7 et qui expose d’une part, une face côté cavité 14 soumise à la pression des gaz régnant dans la cavité de stratification 6 et d’autre part, une face côté chambre 15 soumise à la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion 11.

On note que ledit clapet de stratification 13 peut translater par rapport au conduit de stratification 7 sous l’effet de la pression des gaz soit en direction de la cavité de stratification 6 lorsque ladite pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion 5, soit en direction de ladite chambre 5 lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification 6.

On remarquera que le clapet de stratification 13 peut aussi se déplacer dans le conduit de stratification 7 sous l’effet de la gravité ou d’une accélération, ce qui ne saurait être interprété comme un avantage quelconque ou un mode de fonctionnement recherché.

On peut souligner que le clapet de stratification 13 peut être réalisé en superalliage résistant à la température et rester le plus léger possible, ou en matériau céramique tel que du carbure de silicium.

Outre ce qui vient d’être décrit, on remarque que la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention comprend au moins une butée de clapet côté cavité 16 qui détermine la position du clapet de stratification 13 la plus proche de la cavité de stratification 6. Ceci est particulièrement visible en figures 3 à 8.

De plus, la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention comprend au moins une butée de clapet côté chambre 17 qui détermine la position du clapet de stratification 13 la plus proche de la chambre de combustion 5.

A titre de variante de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention, on notera que le clapet de stratification 13 peut obturer en tout ou partie le conduit de stratification 7 lorsqu’il est au plus proche de la cavité de stratification 6 tandis qu’il ouvre ledit conduit 7 sur une plus large section lorsqu’il est positionné au plus proche de la chambre de combustion 5.

En figures 3 à 8 notamment, on remarque que la butée de clapet côté cavité 16 peut être constituée d’un siège d’obturation de clapet 18 aménagé dans le conduit de stratification 7 ou à l’une quelconque des extrémités dudit conduit 7, ledit siège 18 coopérant avec une portée de clapet côté cavité 19 que présente le clapet de stratification 13 en sa périphérie et/ou en son extrémité.

II faut d’ailleurs préciser que le siège d’obturation de clapet 18 et la portée de clapet côté cavité 19 peuvent constituer une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion 5 est supérieure à la pression qui règne dans la cavité de stratification 6.

A titre d’autre variante, la butée de clapet côté chambre 17 peut être constituée d’un siège d’ouverture de clapet 20 aménagé dans le conduit de stratification 7 ou à l’une quelconque des extrémités dudit conduit 7, ledit siège 32 coopérant avec une portée de clapet côté chambre 21 que présente le clapet de stratification 13 en sa périphérie et/ou en son extrémité.

En ce cas, le siège d’ouverture de clapet 20 et la portée de clapet côté chambre 21 peuvent constituer une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.

Les figures 3 à 8 et la figure 12 montrent clairement que le clapet de stratification 13 peut comporter en son pourtour des moyens de guidage 22 qui maintiennent ledit clapet 13 approximativement centré dans le conduit de stratification 7, et approximativement dans la même orientation longitudinale que ledit conduit 7 et ceci, quelle que soit la position axiale dudit clapet 13 par rapport audit conduit 7.

En figures 2, 3, 6, 8 et 9, on remarque que lorsque le siège d’ouverture de clapet 20 et la portée de clapet côté chambre 21 sont au contact l’un de l’autre, le clapet de stratification peut former avec le conduit de stratification 7 une préchambre d’allumage par torche 23 qui communique simultanément d’une part, avec la cavité de stratification 6, et d’autre part, avec la chambre de combustion 5 par l’intermédiaire d’au moins un orifice d’éjection des gaz 24.

Dans ce contexte particulier de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention, la paroi périphérique interne de la préchambre d’allumage par torche 23 peut être cylindrique tandis que le clapet de stratification 13 présente une périphérie circulaire et est logé à faible jeu radial dans ladite préchambre 23 de sorte qu’un faible jeu radial est laissé entre ledit clapet 13 et ladite paroi quelle que soit la position dudit clapet 13 par rapport à ladite préchambre 23, ledit faible jeu formant un passage restreint qui freine le passage des gaz entre la cavité de stratification 6 et la chambre de combustion 5.

On voit en figures 1 à 12 que selon un mode particulier de réalisation de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention, le conduit de stratification 7 peut déboucher en saillie dans la chambre de combustion 5 sous la forme d’un dôme d’éjection protubérant 25 qui héberge la préchambre d’allumage par torche 23 et duquel débouche l’orifice d’éjection des gaz 24.

On note que l’orifice d’éjection des gaz 24 peut être plus ou moins orienté vers la chambre de combustion 5 et sortir plus ou moins tangentiellement à la périphérie du dôme d’éjection protubérant 25. En outre, la géométrie de l’orifice d’éjection des gaz 24 peut varier selon que le jet de gaz sortant dudit orifice 24 est prévu plutôt directif, ou plutôt diffus. A titre d’exemple, l’orifice d’éjection des gaz 24 peut être cylindrique, conique, ou encore former un convergent ou un divergent.

Avantageusement et comme montré en figures 1 à 12, le siège d’ouverture de clapet 20 peut être aménagé dans le dôme d’éjection protubérant 25, ce dernier pouvant être revêtu d’un matériau antifriction et/ou anti-adhérent et/ou réfractaire connu en soi, ou être fait dudit matériau.

Au sens général, on comprend que lorsque le clapet de stratification 13 est positionné proche de la chambre de combustion 5 c’est à dire au voisinage voire au contact de la butée de clapet côté chambre 17 avec laquelle il coopère, ledit clapet 13 peut découvrir au moins un orifice d’éjection des gaz 24 qui met en relation la cavité de stratification 6 avec la chambre de combustion 5.

Comme le montrent les figures 9 à 12, les moyens d’allumage 11 peuvent être constitués d’une bougie d’allumage 12 qui ferme la première extrémité d’un tube de liaison ajouré 26 qui traverse tout ou partie du volume interne de la cavité de stratification 6 et dont le corps est radialement traversé par au moins une lumière radiale 27 qui met en relation l’intérieur dudit tube 26 avec ledit volume interne, tandis que la deuxième extrémité dudit tube 26 reçoit le conduit de stratification 7 et le clapet de stratification 13, et cependant que l’électrode centrale 40 et l’électrode de masse 39 de ladite bougie 12 sont logées à l’intérieur du tube de liaison ajouré 26.

On remarque en figures 9 à 12 que le tube de liaison ajouré 26 peut faire partie de la bougie d’allumage 12 dont il prolonge le culot. En ce cas, la bougie d’allumage 12 est directement vissée dans la culasse 3 au moyen d’un filetage réalisé sur la face cylindrique externe de son culot et/ou sur la face cylindrique externe du tube de liaison ajouré 26 qui la prolonge.

A titre d’alternative, la bougie d’allumage 12 peut être vissée dans ledit tube 26 cependant que ce dernier est vissé dans la culasse 3. Dans tous les cas, une étanchéité est réalisée entre la culasse 3 d’une part et la bougie d’allumage 12 et/ou le tube de liaison ajouré 26 d’autre part, tant au niveau de ladite bougie 12 qu’au niveau du conduit de stratification 7.

Les figures 9 à 12 illustrent que la face côté cavité 14 peut exposer un dôme aérodynamique 29 qui permet notamment de diriger le flux de gaz vers le ou les orifices d’éjection des gaz 24 en offrant audit flux le moins de résistance possible et en générant dans ledit flux le moins de turbulences possibles.

On voit en figures 1 à 12 que selon un mode particulier de réalisation de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention, la face côté cavité 14 peut former une électrode de masse 39 qui fait face à une électrode centrale 40 que comporte une bougie d’allumage 12 cette dernière constituant les moyens d’allumage 11, un arc électrique pouvant se former entre ladite électrode de masse 39 et ladite électrode centrale 40 lorsque un courant à haute tension passe de ladite électrode centrale 40 à ladite électrode de masse 39.

Les figures 1 à 12 illustrent en outre que le clapet de stratification 13 peut être axialement plus épais en sa périphérie laquelle reçoit la portée de clapet côté cavité 19 et la portée de clapet côté chambre 21, qu’en son centre.

Cette particularité confère audit clapet 13 une épaisseur radiale qui va croissante depuis le centre dudit clapet 13 vers la périphérie de ce dernier, de sorte que ledit clapet 13 soit à la fois le plus léger possible et le plus résistant aux chocs possibles, tout en assurant son refroidissement le plus efficacement possible au niveau du contact entre ses portées de clapet 19, 21 et les sièges 18, 20 avec lesquels coopèrent lesdites portées 19, 21.

FONCTIONNEMENT DE L’INVENTION :

Le fonctionnement de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention se comprend aisément à la vue des figures 1 à 12.

On voit que selon l’exemple non-limitatif d’application de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention montré en figure 1, ladite préchambre 1 est mise en œuvre dans un moteur à combustion interne 2 qui comporte une culasse 3 qui coiffe un cylindre 4 pour former avec un piston 31 une chambre de combustion 5 dans laquelle peut être brûlée une charge principale 30.

On remarque que le piston 31 est relié à un vilebrequin 37 par l’intermédiaire d’une bielle 38, ledit piston 31 imprimant audit vilebrequin 37 un mouvement de rotation lorsque ledit piston 31 est animé d’un mouvement de translation alternatif dans le cylindre 4.

On voit également en figure 1 que la chambre de combustion 5 peut être mise en communication avec un conduit d’admission 32 par une soupape d'admission 34 tandis que ladite chambre 5 peut être mise en communication avec un conduit d’échappement 33 par une soupape d’échappement 35.

Les figures 1 à 8 qui vont être prises ici en exemple pour illustrer le fonctionnement de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention montrent que ladite préchambre 1 est intégrée à la culasse 3. Lesdites figures 1 à 8 montrent également que les moyens d’allumage 11 sont ici constitués d’une bougie d’allumage 12 connue en soi et dont les électrodes débouchent dans la cavité de stratification 6. On remarque aussi en figures 1 et l’injecteur de stratification 8 qui peut injecter une charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6 via un conduit de sortie d’injecteur 28.

On remarque en figure 1 que préalablement à son injection par l’injecteur de stratification 8, la charge pilote 9 constituée d’un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable a été mise sous pression par un compresseur de stratification 36 qui forme les moyens de compression 10. Ceci constitue également un exemple non-limitatif de réalisation de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention, pris ici à titre d’exemple pour en illustrer le fonctionnement.

Pour illustrer le fonctionnement de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention, nous supposerons ici que le rapport volumétrique du moteur à combustion interne 2 - hors volume de la préchambre d’allumage à clapet 1 - est de quatorze pour un. Pour obtenir ce résultat, on a prévu un volume balayé par le piston 31 de cinq cent centimètres-cube tandis que le volume de la chambre de combustion 5 est de trente huit virgule cinq centimètrescube.

En outre et à titre d’exemple non-limitatif, le volume de la préchambre d’allumage à clapet 1 - y-inclus le volume du conduit de stratification 7 et celui du conduit de sortie d’injecteur 28 - est ici de un demi centimètre-cube.

Pour détailler le fonctionnement de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention, nous en retiendrons ici l’exemple de réalisation montré en figures 1 à 8 sur lesquelles on constate que la butée de clapet côté cavité 16 est constituée d’un siège d’obturation de clapet 18 aménagé dans le conduit de stratification 7, ledit siège 18 coopérant avec une portée de clapet côté cavité 19 que présente le clapet de stratification 13 en sa périphérie.

On a choisi ici que le siège d’obturation de clapet 18 et la portée de clapet côté cavité 19 constituent une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion 5 est supérieure à la pression qui règne dans la cavité de stratification 6.

On notera aussi que pour illustrer le fonctionnement de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention, on a aussi prévu que la butée de clapet côté chambre 17 est constituée d’un siège d’ouverture de clapet 20 aménagé dans le conduit de stratification 7, ledit siège 32 coopérant avec une portée de clapet côté chambre 21 que présente le clapet de stratification 13 en sa périphérie. Cette configuration particulière est bien visible en figures à 8.

Dans ce contexte particulier, on aura prévu que le siège d’ouverture de clapet 20 et la portée de clapet côté chambre 21 constituent une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.

Particulièrement en figures 2, 3, 6 et 8, on remarquera aussi que lorsque le siège d’ouverture de clapet 20 et la portée de clapet côté chambre 21 sont au contact l’un de l’autre, le clapet de stratification 13 forme avec le conduit de stratification 7 une préchambre d’allumage par torche 23 de forme annulaire, ladite préchambre 23 communiquant simultanément d’une part, avec la cavité de stratification 6, et d’autre part, avec la chambre de combustion 5 par l’intermédiaire de plusieurs orifices d’éjection des gaz 24.

On remarque par ailleurs que la paroi périphérique interne de la préchambre d’allumage par torche 23 est cylindrique tandis que le clapet de stratification 13 présente une périphérie circulaire et est logé à faible jeu radial dans ladite préchambre 23 de sorte qu’un faible jeu radial est laissé entre ledit clapet 13 et ladite paroi quelle que soit la position dudit clapet 13 par rapport à ladite préchambre 23, ledit faible jeu formant un passage restreint qui freine tout passage de gaz - via ledit faible jeu - entre la cavité de stratification 6 et la chambre de combustion 5.

On remarque aussi en figures 1 à 8 que le conduit de stratification 7 débouche en saillie dans la chambre de combustion 5 sous la forme d’un dôme d’éjection protubérant 25 qui héberge la préchambre d’allumage par torche 23 et duquel débouchent les orifices d’éjection des gaz 24 qui, selon cet exemple, sont orientés vers la chambre de combustion 5. On notera au passage que le siège d’ouverture de clapet 20 est aménagé dans le dôme d’éjection protubérant 25.

Accessoirement, on remarque en figures 1 à 8 que la face côté cavité 14 du clapet de stratification 13 expose un dôme aérodynamique 29 qui permet notamment de diriger le flux de gaz vers les orifices d’éjection des gaz 24 en offrant audit flux le moins de résistance possible et en générant dans ledit flux le moins de turbulences possibles.

On remarque aussi que le clapet de stratification 13 est axialement plus épais en sa périphérie qu’en son centre. Cette particularité permet audit clapet 13 d’être à la fois le plus léger possible et le plus résistant aux chocs possibles, tout en assurant son refroidissement le plus efficacement possible un niveau du contact entre ses portées de clapet 19, 21 et les sièges 18, 20 avec lesquels coopèrent lesdites portées 19, 21. A titre d’exemple nonlimitatif, le clapet de stratification 13 peut être réalisé dans un superalliage mécaniquement et thermiquement hautement résistant.

Selon l’exemple de réalisation de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention montré en figures 1 à 8 et pris ici à titre d’illustration du fonctionnement de ladite préchambre

1, nous considérerons que le diamètre des orifices d’éjection des gaz 24 vaut douze centièmes de millimètre tandis que la course totale maximale que peut parcourir le clapet de stratification 13 entre le siège d’obturation de clapet 18 et le siège d’ouverture de clapet vaut quinze centièmes de millimètre.

Pour comprendre le fonctionnement de la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention, il est ici utile d’en décomposer le fonctionnement durant les quatre temps du moteur à combustion interne 2, en relation avec les figures 3 à 8.

Considérons que le moteur à combustion interne 2 opère avec une charge principale 30 air-essence approximativement stoechiométrique fortement diluée par des gaz d’échappement recirculés refroidis dits « EGR refroidi ». Ladite charge 30 est donc résistante à l’inflammation et n’est en rien favorable à un développement rapide de sa combustion dans l’espace tridimensionnel de la chambre de combustion 5.

A ce titre, il est attendu de la charge pilote 9 qui va être mise en œuvre par la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention doit présenter la plus grande efficacité possible non seulement à initialiser la combustion de la charge principale 30, mais aussi à développer ladite combustion en un temps le plus court possible. Il est entendu que ces deux objectifs sont directement servis par la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention.

Selon l’exemple non-limitatif de réalisation de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention pris ici pour en illustrer le fonctionnement, nous supposerons que la charge pilote 9 contient un virgule six pourcent du carburant que contient la charge principale 30, ladite charge pilote 9 étant constituée d’un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable au moyen d’une étincelle.

Nous décomposerons ici le cycle à quatre temps de Otto ou Beau de Rochas selon le séquencement usuel.

En phase d’admission, le piston 31 du moteur à combustion interne 2 descend dans le cylindre 4 avec lequel il coopère ce qui a pour effet d’introduire dans ce dernier une charge principale 30 en provenance du conduit d’admission 32 et via la soupape d'admission 34 maintenue ouverte.

Durant ladite phase, la pression qui règne dans la chambre de combustion 5 est plus basse que la pression qui règne dans la cavité de stratification 6. En conséquence et comme le montre la figure 3, le clapet de stratification 13 reste plaqué sur le siège d’ouverture de clapet 20 avec lequel il coopère et la cavité de stratification 6 est mise en communication avec la chambre de combustion 5 par les orifices d’éjection des gaz 24 via la préchambre d’allumage par torche 23.

Le piston 31 ayant atteint son Point Mort Bas, la soupape la soupape d'admission 34 se referme et le piston 31 entame sa remontée dans le cylindre 4, vers son Point Mort Haut.

Ce faisant, ledit piston 31 comprime la charge principale 30 et la pression qui règne dans la chambre de combustion 5 devient plus élevée que celle qui règne dans la cavité de stratification 6.

La différence de pression entre ladite chambre 5 et ladite cavité 6 s’accroît d’autant plus rapidement que d’une part, la section des orifices d’éjection des gaz 24 est faible et que d’autre part, un faible jeu radial est laissé entre le clapet de stratification 13 et la paroi interne de la préchambre d’allumage par torche 23, quelle que soit la position dudit clapet 13 par rapport à ladite préchambre 23.

Pour aller de la chambre de combustion 5 à la cavité de stratification 6, les gaz constitutifs de la charge principale 30 n’ont pratiquement d’autre passage que celui que constituent les orifices d’éjection des gaz 24.

Ces derniers ne laissant qu’une section de passage limitée auxdits gaz, la différence entre la pression exercée sur la face côté cavité 14 et celle exercée sur la face côté chambre 15 s’accroît, ce qui a pour effet de plaquer le clapet de stratification 13 sur le siège d’obturation de clapet 18 avec lequel il coopère. Cette situation est clairement illustrée par la figure 4.

On notera que le temps nécessaire au clapet de stratification 13 pour d’une part, rompre le contact qu’il forme avec le siège d’ouverture de clapet 20 avec lequel il coopère et d’autre part, entrer en contact avec le siège d’obturation de clapet 18, vaut quelques degrés de rotation du vilebrequin 37 voire un ou deux degrés seulement de ladite rotation, ces valeurs n’étant données qu’à titre indicatif.

Ce faisant, le clapet de stratification 13 obture le conduit de stratification 7 et la chambre de combustion 5 ne communique plus avec la cavité de stratification 6. La pression qui continue à augmenter dans la chambre de combustion 5 du fait de la montée du piston 31 dans le cylindre 4 n’a plus de conséquence sur la pression qui règne dans la cavité de stratification 6, ladite pression restant stable.

Quelques degrés de vilebrequin après que le clapet de stratification 13 ait obturé le conduit de stratification 7, l’injecteur de stratification 8 commence à injecter la charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6. Cette situation est illustrée en figure 5. La température des gaz constitutifs de ladite charge 9 est selon cet exemple de l’ordre de quatre-vingt degrés.

Le débit de l’injecteur a été calculé pour que la pression qui règne dans la cavité de stratification 6 reste toujours plus basse que celle qui règne dans la chambre de combustion 5 de sorte que le clapet de stratification 13 ne décolle jamais du siège d’obturation de clapet 18 avec lequel il coopère via sa portée de clapet côté cavité 19.

Quelques degrés de vilebrequin 37 avant le Point Mort Haut du piston 31, la pression régnant dans la chambre de combustion 5 et à laquelle est soumise la charge principale 30 a atteint près de quarante bars cependant que la pression dans la cavité de stratification 6 a atteint vingt bars. L’injecteur de stratification 8 cesse d’injecter la charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6.

Le piston 31 arrivant au voisinage de son Point Mort Haut et comme l’illustre la figure 6, un courant haute-tension est appliqué aux bornes de la bougie d’allumage 12. Cette dernière met à feu la charge pilote 9 contenue dans la cavité de stratification 6.

On remarquera d’ailleurs que la pression de seulement vingt bars régnant dans ladite cavité 6 a permis de n’appliquer qu’une tension modérée aux bornes de la bougie d’allumage 12.

Comme le montre la figure 6, la charge pilote 9 étant constituée d’un mélange comburantcarburant AF facilement inflammable, la flamme initialisée par la bougie d’allumage 12 se propage très rapidement dans la charge pilote 9 dont la température augmente tout aussi rapidement, de même que la pression régnant dans la cavité de stratification 6.

Lorsque ladite pression atteint par exemple quarante cinq bars - c’est à dire cinq bars de plus que la pression qui règne dans la chambre de combustion 5, le clapet de stratification 13 a déjà parcouru les quinze centièmes de millimètre. Ce faisant, ledit clapet 13 a décollé de son contact avec le siège d’obturation de clapet 18, puis est venu se reposer sur le siège d’ouverture de clapet 20. Cette situation est également montrée en figure 6.

Pendant son parcours, le clapet de stratification 13 a progressivement découvert les orifices d’éjection des gaz 24, et les gaz brûlants en provenance de la cavité de stratification 6 - qui ont été par exemple portés à une température de quelque deux mille degrés Celsius - ont commencé à être éjectés sous forme de torches par lesdits orifices 24, via la préchambre d’allumage par torche 23, et au niveau du dôme d’éjection protubérant 25. On a illustré en figure 6 cet effet prévu par la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention.

La pression continuant à monter dans la cavité de stratification 6, la pression dans ladite cavité 6 est désormais supérieure de vingt bars à celle régnant dans la chambre de combustion 5. En conséquence, les gaz brûlants voient leur pression chuter de vingt bars lors de leur passage au travers des orifices d’éjection des gaz 24 si bien que leur température tombe aux environs de mille trois cent degrés. En contrepartie, lesdits gaz se trouvent animés d’une grande vitesse qui leur permet de pénétrer profondément dans le volume de la chambre de combustion 5.

Ce faisant, lesdits gaz brûlants enflamment les gaz environnants constitutifs de la charge principale 30. Outre libérer sous forme de chaleur l’énergie du carburant qu’ils contiennent, lesdits gaz environnants se retrouvent animés d’une grande vitesse locale par lesdits gaz brûlants, ladite vitesse se matérialisant sous la forme de micro turbulences. Le plissement du front de flamme qui résulte desdites micro turbulences promeut le développement de la combustion, laquelle se propage rapidement à l’ensemble de la charge principale 30 et dans l’entièreté du volume de la chambre de combustion 5.

On remarque que l’efficacité de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention à développer ladite combustion est d’autant plus grande que les torches de gaz brûlants formées tout autour du dôme d’éjection protubérant 25 mettent à feu la charge principale 30 en de multiples endroits de la chambre combustion 5.

En effet, une fois initialisée radialement depuis le centre vers la périphérie de la chambre combustion 5, la combustion de ladite charge 30 se développe dans une deuxième phase radialement depuis la périphérie de ladite chambre 5 vers le centre de ladite chambre 5, et tangentiellement entre chaque torche de gaz brûlants sortante du dôme d’éjection protubérant 25 via les orifices d’éjection des gaz 24.

Une fois le mélange comburant-carburant AF constitutif de la charge pilote 9 intégralement brûlé et en majeure partie éjecté sous la forme de jets de gaz brûlants via les orifices d’éjection des gaz 24, la combustion se développe dans la chambre de combustion 5 et la pression régnant dans cette dernière devient rapidement supérieure à celle régnant dans la cavité de stratification 6.

Aussi, dès que cette situation est atteinte, la face côté chambre 15 du clapet de stratification 13 reçoit une pression supérieure à celle qui s’exerce sur la face côté cavité 14 dudit du clapet 13. II résulte de ceci que le clapet de stratification 13 se déplace rapidement sur quinze centièmes de millimètres en direction de la cavité de stratification 6, et vient se plaquer de façon étanche sur le siège d’obturation de clapet 18 avec lequel il coopère. Cette situation est illustrée en figure 7.

La combustion de la charge principale 30 s’opérant très rapidement malgré la forte teneur en « EGR refroidi » de ladite charge 30, ladite combustion est achevée seulement quelques degrés de vilebrequin 37 après le Point Mort Haut du piston 31. Le rendement thermodynamique du moteur à combustion interne 2 va ainsi pouvoir être maximal car la détente n’a qu’à peine débuté tandis que l’intégralité de l’énergie contenue dans le carburant constitutif de la charge principale 30 a été libérée.

Le clapet de stratification 13 restant fermé comme illustré en figure 7, le piston 31 amorce alors sa course de détente et commence à transformer en travail une grande partie de la chaleur des gaz chauds et brûlés de la charge principale 30. Ledit travail est transmis au vilebrequin 37 par ledit piston 31 via la bielle 38.

Ce faisant, la pression et la température régnant dans la chambre de combustion 5 baisse graduellement. Lorsque ladite pression atteint par exemple soixante bars, la pression qui subsiste dans la cavité de stratification 6 devient supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion 5.

II résulte de cette situation que la portée de clapet côté chambre 21 du clapet de stratification 13 revient au contact du siège d’ouverture de clapet 20, ce qu’illustre la figure 8. Le clapet de stratification 13 découvre à nouveau totalement les orifices d’éjection des gaz 24 et les gaz brûlants résiduels de la charge pilote 9 sont éjectés via lesdits orifices 24 pour être détendus par le piston 31, en même temps qu’est poursuivie la détente de la charge principale 30.

Une fois que le piston 31 a atteint son Point Mort Bas, la soupape d'échappement 35 s’ouvre et les gaz finissent de se détendre dans le conduit d’échappement 33 avant d’être activement refoulés par ledit piston 31 dans ledit conduit 33 lorsque ledit piston 31 remonte dans le cylindre 4 en direction de son Point Mort Haut.

Pendant toute la course d’échappement du piston 31, la cavité de stratification 6 peut finir d’expulser les gaz brûlants résiduels de la charge pilote 9 via les orifices d’éjection des gaz 24.

Cette expulsion peut également se poursuivre pendant la phase d’admission qui marque le départ d’un nouveau cycle à quatre temps de Otto ou Beau de Rochas selon le séquencement usuel.

Comme on a pu le constater au long de l’explication qui vient d’être donnée, contrairement aux dispositifs connus selon l’état de l’art, la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention a permis de limiter la pression d’injection de la charge pilote 9 à approximativement vingt bars.

Cette pression relativement basse a permis non seulement de limiter la consommation énergétique du compresseur de stratification 36, mais aussi d’en limiter la complexité dans la mesure où un seul étage de compression a suffi pour atteindre ladite pression.

En outre, seul un virgule six pourcent du carburant que contient la charge principale 30 a suffi pour assurer un allumage à la fois puissant de ladite charge 30 - de l’ordre de deux cent fois plus puissant qu’un allumage par étincelle conventionnel, ledit allumage ayant eu lieu en de multiples endroits répartis de façon homogène dans l’espace tridimensionnel de la chambre de combustion 5.

La pression de compression basse de la charge pilote 9 d’une part, et la faible quantité de mélange comburant-carburant AF contenue dans ladite charge 9 d’autre part, on toutes deux concouru à minimiser l’énergie consommée par le compresseur de stratification 36 pour comprimer ladite charge pilote 9

Ceci a donc permis de minimiser la quantité de travail que le compresseur de stratification 36 a directement ou indirectement ponctionné sur le vilebrequin 37 du moteur à combustion interne 2, ce qui a contribué à maximiser le rendement énergétique final dudit moteur 2.

En outre, on remarquera que le temps alloué à l’injecteur de stratification 8 pour injecter la charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6 a été presque équivalent au temps alloué à la phase de compression du moteur à combustion interne 2 selon le cycle à quatre temps de Otto ou Beau de Rochas. Ceci a permis d’une part, de limiter la dynamique recherchée pour ledit injecteur 8, et d’autre part, de limiter la pression d’alimentation dudit injecteur 8. Ceci contribue notamment à réduire le coût et la complexité dudit injecteur 8 tout en lui conférant une meilleure fiabilité, et une grande durabilité.

Pendant toute la durée de l’injection de la charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6, on remarquera que ladite charge 9 n’a été mélangée qu’avec très peu de gaz brûlés résiduels. La teneur en dits gaz brûlés de ladite charge 9 avant son allumage par étincelle n’a été que d’un pour mille environ, ce qui est extrêmement faible.

a résulté de ceci que la charge pilote 9 a conservé une inflammabilité maximale qui, combinée à une pression de seulement vingt bars lorsque la bougie d’allumage 12 a mis à feu ladite charge 9, a permis de limiter la tension à appliquer aux bornes de ladite bougie pour obtenir ladite mise à feu. Il résulte de ceci une moindre consommation électrique pour alimenter ladite bougie 12, et une durabilité accrue de cette dernière.

On aura remarqué que durant la séquence de fonctionnement illustrée par étapes successives depuis la figure 3 jusqu’à la figure 8, la charge thermique appliquée au dôme d’éjection protubérant 25 a été réduite à son strict minimum en ce que les gaz portés à haute température ne sont passé au travers des orifices d’éjection des gaz 24 qu’une seule fois, contre trois pour toute préchambre d’allumage selon l’état de l’art, une telle préchambre étant dénuée de clapet de stratification 13.

Cette particularité a notamment permis d’éviter que ledit dôme 25 ne monte à trop haute température et ne forme un point chaud susceptible de provoquer des allumages intempestifs et non-commandés de la charge principale 30 conduisant au cliquetis et à l’endommagement voire à la destruction du moteur à combustion interne 2. En outre, cette propension du dôme d’éjection protubérant 25 à rester à basse température permet de prévoir un taux de compression élevé pour le moteur à combustion interne 2, sans risque de cliquetis.

Ainsi, la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention permet de réaliser des moteurs à combustion interne 2 à allumage commandé opérant sous fort taux d’EGR refroidi, quelle que soit la charge et le régime de rotation desdits moteurs 2, et sans compromettre la stabilité de combustion de ces derniers.

En conséquence dudit fort taux d’EGR, la pression d’admission desdits moteurs 2 est naturellement plus élevée à charges partielles que celle de moteurs à combustion interne 2 de même conception opérant sans EGR refroidi. Ceci réduit les pertes par pompage occasionnées par le réglage de la charge par la pression d’admission, ledit réglage étant par exemple opéré au moyen d’un papillon.

En outre, les moteurs à combustion interne 2 recevant la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention voient leurs pertes thermiques réduites, de même qu’est diminuée la quantité d’oxydes d’azote par kilowattheure produite par lesdits moteurs 2. Ceci résulte du fait que la combustion de la charge principale 30 s’opère à une température moyenne plus basse grâce à la possibilité qu’offre la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention d’introduire de l’EGR refroidi en forte proportions dans ladite charge 30.

Dans ce contexte permis par la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention, le taux de compression des moteurs à combustion interne 2 peut être prévu plus élevé que celui des mêmes dits moteurs 2 opérants sans EGR refroidi et ceci, sans risque de cliquetis. Ceci est favorable au rendement desdits moteurs 2.

On remarquera en outre que la réduction des pertes par pompage et des pertes thermiques induite par la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention rend moins nécessaire une réduction importante de la cylindrée des moteurs à combustion interne 2 à iso-couple et iso-puissance par adjonction d’une suralimentation, par exemple par turbocompresseur.

En effet, la suralimentation pourra être soit réduite soit inexistante tout en conservant des performances énergétiques élevées vis-à-vis de l’état de l’art.

II résulte de cet ensemble de caractéristiques et d’avantages conférés par la préchambre d’allumage à clapet 1 selon l’invention des moteurs à combustion interne 2 à prix de revient modéré, à faible consommation de carburant, à faibles émissions de dioxyde de carbone, et dont le post-traitement des polluants est assuré par un simple catalyseur trois-voies.

On notera qu’il n’est pas à exclure que la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention puisse s’appliquer à d’autres domaines que les seuls moteurs à combustion interne. Ladite préchambre 1 peut par exemple s’appliquer à des cloueurs à gaz, à des armes à feu, ou à tout appareil nécessitant la mise à feu d’une charge principale au moyen 10 d’une charge pilote avec la meilleure efficacité possible.

Les possibilités de la préchambre d’allumage à clapet 1 suivant l’invention ne s’en limitent pas aux applications qui viennent d’être décrites et il doit d’ailleurs être entendu que la description qui précède n’a été donnée qu’à titre d’exemple et qu’elle ne limite nullement le 15 domaine de ladite invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d’exécution décrits par tout autre équivalent.

Claims

REVENDICATIONS

1. Préchambre d’allumage à clapet (1) pour moteur à combustion interne (2) lequel comporte une culasse (3) qui coiffe un cylindre (4) pour former une chambre de combustion (5) dans laquelle peut être brûlée une charge principale (30), caractérisée en ce qu’elle comprend :

• Au moins une cavité de stratification (6) qui d’une part, est aménagée dans la culasse (3) et est reliée à la chambre de combustion (5) par un conduit de stratification (7) et qui d’autre part, reçoit un injecteur de stratification (8) qui peut directement ou indirectement injecter dans ladite cavité (6) une charge pilote (9) préalablement mise sous pression par des moyens de compression (10), ladite charge (9) étant constituée d’un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable au moyen d’une étincelle ;

• Des moyens d’allumage (11) qui débouchent dans la cavité de stratification (6) et qui peuvent mettre à feu la charge pilote (9) ;

• Un clapet de stratification (13) qui peut obturer en tout ou partie le conduit de stratification (7) et qui expose d’une part, une face côté cavité (14) soumise à la pression des gaz régnant dans la cavité de stratification (6) et d’autre part, une face côté chambre (15) soumise à la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion (11), ledit clapet de stratification (13) pouvant translater par rapport audit conduit (7) sous l’effet de la pression des gaz soit en direction de la cavité de stratification (6) lorsque ladite pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion (5), soit en direction de ladite chambre (5) lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification (6) ;

• Au moins une butée de clapet côté cavité (16) qui détermine la position du clapet de stratification (13) la plus proche de la cavité de stratification (6) ;

• Au moins une butée de clapet côté chambre (17) qui détermine la position du clapet de stratification (13) la plus proche de la chambre de combustion (5).
2. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet de stratification (13) obture en toutou partie le conduit de stratification (7) lorsqu’il est au plus proche de la cavité de stratification (6) tandis qu’il ouvre ledit conduit (7) sur une plus large section lorsqu’il est positionné au plus proche de la chambre de combustion (5).
3. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la butée de clapet côté cavité (16) est constituée d’un siège d’obturation de clapet (18) aménagé dans le conduit de stratification (7) ou à l’une quelconque des extrémités dudit conduit (7), ledit siège (18) coopérant avec une portée de clapet côté cavité (19) que présente le clapet de stratification (13) en sa périphérie et/ou en son extrémité.
4. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le siège d’obturation de clapet (18) et la portée de clapet côté cavité (19) constituent une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion (5) est supérieure à la pression qui règne dans la cavité de stratification (6).
5. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la butée de clapet côté chambre (17) est constituée d’un siège d’ouverture de clapet (20) aménagé dans le conduit de stratification (7) ou à l’une quelconque des extrémités dudit conduit (7), ledit siège (32) coopérant avec une portée de clapet côté chambre (21) que présente le clapet de stratification (13) en sa périphérie et/ou en son extrémité.
6. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le siège d’ouverture de clapet (20) et la portée de clapet côté chambre (21) constituent une étanchéité quand ils sont au contact l’un de l’autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.
7. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet de stratification (13) comporte en son pourtour des moyens de guidage (22) qui maintiennent ledit clapet (13) approximativement centré dans le conduit de stratification (7), et approximativement dans la même orientation longitudinale que ledit conduit (7) et ceci, quelle que soit la position axiale dudit clapet (13) par rapport audit conduit (7).
8. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 5, caractérisée en ce que lorsque le siège d’ouverture de clapet (20) et la portée de clapet côté chambre (21) sont au contact l’un de l’autre, le clapet de stratification (13) forme avec le conduit de stratification (7) une préchambre d’allumage par torche (23) qui communique simultanément d’une part, avec la cavité de stratification (6), et d’autre part, avec la chambre de combustion (5) par l’intermédiaire d’au moins un orifice d’éjection des gaz (24) .
9. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la paroi périphérique interne de la préchambre d’allumage par torche (23) est cylindrique tandis que le clapet de stratification (13) présente une périphérie circulaire et est logé à faible jeu radial dans ladite préchambre (23).
10. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le conduit de stratification (7) débouche en saillie dans la chambre de combustion (5) sous la forme d’un dôme d’éjection protubérant (25) qui héberge la préchambre d’allumage par torche (23) et duquel débouche l’orifice d’éjection des gaz (24).
11. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le siège d’ouverture de clapet (20) est aménagé dans le dôme d’éjection protubérant (25) .
12. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que lorsque le clapet de stratification (13) est positionné proche de la chambre de combustion (5) c’est à dire au voisinage voire au contact de la butée de clapet côté chambre (17) avec laquelle il coopère, ledit clapet (13) découvre au moins un orifice d’éjection des gaz (24) qui met en relation la cavité de stratification (6) avec la chambre de combustion (5).
13. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d’allumage (11) sont constitués d’une bougie d’allumage (12) qui ferme la première extrémité d’un tube de liaison ajouré (26) qui traverse tout ou partie du volume interne de la cavité de stratification (6) et dont le corps est radialement traversé par au moins une lumière radiale (27) qui met en relation l’intérieur dudit tube (26) avec ledit volume interne, tandis que la deuxième extrémité dudit tube (26) reçoit le conduit de stratification (7) et le clapet de stratification (13), et cependant que l’électrode centrale (40) et l’électrode de masse (39) de ladite bougie (12) sont logées à l’intérieur du tube de liaison ajouré (26).
14. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la face côté cavité (14) expose un dôme aérodynamique (29).
15. Préchambre d’allumage à clapet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la face côté cavité (14) forme une électrode de masse (39) qui fait face à une électrode centrale (40) que comporte une bougie d’allumage (12) cette dernière constituant les moyens d’allumage (11).
16. Préchambre d’allumage à clapet suivant les revendications 3 et 5, caractérisée en ce que le clapet de stratification (13) est axialement plus épais en sa périphérie laquelle reçoit la portée de clapet côté cavité (19) et la portée de clapet côté chambre (21), qu’en son centre.

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