FR2873763A1 - Dispositif d'allumage pour moteur a combustion interne et moteur comportant un tel dispositif - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne, comprenant une préchambre (13) destinée à recevoir des réactifs et comportant au moins un passage (14) destiné à faire communiquer la préchambre (13) avec une chambre (5) de combustion principale d'un moteur, des moyens d'allumage (1, 2, 6) destinés à initier une inflammation de réactifs situés dans la préchambre et/ou dans la chambre principale (5), de façon à permettre le passage de composés instables provenant de la combustion des réactifs contenus dans la préchambre (13) vers la chambre principale (5), caractérisé en ce que les moyens d'allumage comportent des moyens laser (1, 2, 6). L'invention concerne également un moteur comportant un tel dispositif.

Description

Dispositif d'allumaqe pour moteur à combustion interne et moteur

comportant un tel dispositif

L'invention se rapporte à un dispositif d'allumage pour 5 moteur à combustion interne ainsi qu'à un moteur comportant un tel dispositif.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne, comprenant une préchambre destinée à recevoir des réactifs et comportant au lo moins un passage destiné à faire communiquer la préchambre avec une chambre de combustion principale d'un moteur, des moyens d'allumage destinés à initier une inflammation de réactifs situés dans la préchambre et/ou dans la chambre principale, de façon à permettre le passage de composés instables provenant de la combustion des réactifs contenus dans la préchambre vers la chambre principale.

Un tel dispositif d'allumage est connu notamment du document FR2781840A1.

Les dispositifs d'allumage actuels (bougies) réalisent en général cet allumage en déchargeant de l'énergie stockée dans un circuit électrique sous forme d'un arc électrique (appelée étincelle) réalisé entre deux électrodes métalliques. L'énergie déposée chauffe alors localement les gaz (comburant + combustible) et permet l'initiation de la combustion dans la zone proche de la bougie.

Les dispositifs d'allumage à préchambre tels que celui du type décrit dans le document FR2781840A1 ont un fonctionnement globalement satisfaisant mais présentent tout de même certains inconvénients.

Un premier inconvénient est le possible défaut d'allumage dans la chambre principale en raison du piégeage des produits de combustion résiduels et/ou des faibles richesses en carburant dans la chambre principale.

Un autre inconvénient est la faible tolérance de l'allumage par étincelle à la dilution du mélange combustible par l'air ou par les gaz résiduels de combustion. L'étincelle est en effet dans une zone présentant des conditions plus critiques pour l'initiation de l'inflammation.

Encore un autre inconvénient est la complexité du processus de fabrication de l'allumeur. En effet, les dispositifs lo connus nécessitent la mise en position d'un picot faisant office d'électrode de masse sur le corps de la préchambre ou le pliage de l'extrémité de l'électrode. De plus il est important d'assurer un espace inter-électrode avec une précision de l'ordre de +1- 0.1 mm.

De tels dispositifs d'allumage sont en outre sujets à l'encrassement en raison de l'accumulation de dépôts carbonés au fond de préchambre. Ces problèmes d'encrassement peuvent causer des cas d'étincelles glissantes. Ainsi, du fait que le fond de la préchambre constitue une zone dont il est difficile d'évacuer les produits de combustion résiduels, l'occurrence d'étincelles glissantes s'avère plus critique que dans le cas bougie conventionnelle sans préchambre.

Les dispositifs de l'art antérieur sont par ailleurs sujets au problème d'indice thermique. Pour éviter de déposer l'étincelle dans une zone présentant un taux de produits de combustion résiduels trop importants, il est nécessaire_de disposer d'un espace inter-électrodes situé longitudinalement au milieu de la préchambre. Pour cette raison, il est nécessaire d'utiliser une électrode centrale de longueur plus importante que d'ordinaire. Ceci peut constituer un point limitant en terme d'adaptation de l'indice thermique de l'allumeur par rapport à la motorisation du moteur concerné.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.

A cette fin, le dispositif d'allumage selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que les moyens d'allumage comportent des moyens laser.

Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'allumage laser comportent des moyens 10 d'émission d'au moins un faisceau laser et des moyens de focalisation du ou des faisceaux, - les moyens de focalisation comprennent au moins une lentille fixe ou mobile, - les moyens de focalisation comprennent une première 15 lentille destinée à colimater le ou les faisceaux et une seconde lentille destinée à focaliser le ou les faisceaux colimatés, - les moyens d'allumage laser comportent des moyens de polarisation du ou des faisceaux émis, - les moyens d'allumage laser comportent des moyens 20 multi-réfringents tel qu'un prisme pour générer plusieurs points de focalisation à partir d'un seul faisceau polarisé, le ou les faisceaux laser émis ont une longueur d'onde de l'ordre de 200 à 2500 nm, - le ou les faisceaux laser sont émis sous la forme 25 d'impulsions ayant chacune un niveau d'énergie supérieur à 2 mJ et une durée comprise entre 1 à 20 ns.

Un autre but de la présente invention est de proposer un moteur à combustion interne comportant un tel dispositif d'allumage.

A cette fin, le moteur selon l'invention qui a au moins un organe moteur, l'organe moteur comprenant une chambre principale destinée à contenir, pour chaque cycle de combustion, un mélange combustible, un système de compression dudit mélange, et un dispositif d'allumage, est essentiellement caractérisé en ce que le dispositif d'allumage est conforme à l'une quelconque des caractéristiques précédentes, de façon à permettre le passage de composés instables provenant de la combustion des réactifs contenus dans la préchambre vers la chambre principale, le système de compression de la chambre principale et les composés io instables coopérant de façon à permettre une inflammation en masse dans la chambre principale.

Selon d'autres particularités avantageuses: - pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser sont conformés pour réaliser la focalisation d'au moins une partie d'au moins une impulsion laser dans la préchambre et/ou dans la chambre principale, - pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser focalisent majoritairement la ou les impulsions dans la moitié du volume de la préchambre située au plus proche de la partie centrale de la chambre principale, - pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser focalisent majoritairement la ou les impulsions dans la partie centrale de la préchambre, - les moyens d'allumage laser sont conformés pour focaliser une pluralité d'impulsions laser simultanées et/ou successives, les impulsions étant focalisées dans des lieux identiques ou distincts de la préchambre et/ou de la chambre principale, la préchambre communique avec la chambre principale 3o par un nombre de passage de l'ordre de un à vingt, - le ou les passages ont des dimensions comprises entre 0,5 et 3 mm environ, - le mélange combustible comprend un carburant liquide tel que de l'essence ou gazeux et un comburant tel que de l'oxygène, - les réactifs de la préchambre comportent une fraction du mélange combustible de la chambre principale ayant transité via le ou les passages, D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles: io - la figure 1 représente de façon schématique et partielle un moteur à combustion interne pourvu d'un dispositif d'allumage conforme à l'invention, - les figures 2 et 3 représentent des vues partielles et en coupe d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'allumage de l'invention selon, respectivement, deux exemples de configuration de fonctionnement de l'invention, - la figure 4 représente une vue en coupe partielle du dispositif d'allumage selon un second exemple de réalisation de l'invention.

Le dispositif d'allumage représenté aux figures 1 à 3 comprend une bougie 1 dont l'extrémité est refermée par une préchambre 13. La paroi délimitant la préchambre 13 est monobloc avec le corps 8 de la bougie 1 ou est rapportée sur ce dernier. La paroi délimitant la préchambre comporte un nombre de trous ou passages 14 compris de préférence entre un et vingt. Les dimensions des trous (diamètre par exemple) peuvent être compris entre 0,5 et 3 mm.

L'ensemble bougie 1 à préchambre est fixée, par exemple par vissage, dans la culasse 4 d'un moteur à combustion interne. Cette bougie 1 peut se substituer directement à une bougie traditionnelle. C'est-à-dire que la préchambre 13 fait saillie dans une chambre de combustion 5 principale dans laquelle se déplace un piston 17 alternatif.

Selon l'invention, la bougie 1 est une bougie de "type laser", c'est-àdire qu'elle est apte à focaliser entièrement ou en partie un ou plusieurs faisceau laser dans la préchambre.

A cet effet, le dispositif d'allumage peut comporter au moins une source 2 laser impulsionnelle située par exemple à l'extérieur de la bougie 1, et des moyens 3 d'amenée des signaux émis au sein de la bougie 1. Les moyens assurant le transit du laser depuis la source 2 jusqu'à la bougie 1 peuvent comporter une ou des fibres optiques 3 associées à un io connecteur 10 par exemple.

La source 2 laser peut être associée à des moyens 6 de polarisation d'au moins une partie du ou des faisceaux laser émis, tel que décrit plus en détail ci-après.

Des moyens de focalisation, par exemple optiques sont prévus au sein de la bougie 1. Par exemple, une ou plusieurs lentilles fixes ou mobiles par rapport au corps de la bougie peuvent être prévues. Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures, une première lentille 7 permet de collimater le faisceau laser en sortie de fibre 3 et une seconde lentille 7 permet de focaliser l'énergie lumineuse en un ou plusieurs points déterminés, par exemple dans la partie centrale de la préchambre 13 (cf. figure 2). Le déplacement de la ou des lentilles 7 peut permettre en particulier de modifier le lieu de focalisation du ou des faisceaux laser.

L'extrémité du corps de la bougie 1 qui débouche dans la chambre de combustion principale 5 comporte un accès optique 9, tel qu'une fenêtre permettant de faire pénétrer le ou les faisceaux laser dans la préchambre 13. Un système (non représenté) de refroidissement de la tête optique peut également être envisagé.

Le dispositif selon l'invention est apte à réaliser la focalisation d'une impulsion laser de très courte durée, de l'ordre par exemple de 10ns. De ce fait, l'invention permet de diminuer les variations cycliques de combustion en déposant l'énergie nécessaire à l'initiation de la flamme dans un temps caractéristique nettement plus court que les temps caractéristiques physico-chimiques classiquement rencontrés dans un moteur.

Le dispositif d'allumage selon l'invention permet en outre io d'améliorer la fiabilité du système d'allumage vis-à-vis de conditions de mélange contraignantes (dilution à l'air ou avec des gaz résiduels) en utilisant la robustesse à ces paramètres de l'allumage par focalisation de laser.

De plus, on constate une réduction de l'usure et de l'encrassement du système d'allumage par rapport aux systèmes de l'art antérieur.

L'invention permet également d'augmenter le rendement énergétique de la combustion en optimisant la transition plasma/flamme. La vitesse initiale d'éjection des gaz de la préchambre vers la chambre principale est ainsi améliorée.

La source 2 laser impulsionnelle utilisée peut, par exemple, avoir les caractéristiques suivantes: longueur d'onde de l'ordre de 200 à 2500 nm; un niveau d'énergie par impulsion supérieur à 2 mJ (miliJoules); et une durée d'impulsion de 1 à 20 ns. La puissance délivrée et la polarisation du faisceau peuvent être des paramètres supplémentaires du contrôle moteur.

Le dispositif d'allumage permet de focaliser le point d'initiation dans la partie avant de la préchambre 13, c'est-à-dire dans la moitié du volume de la préchambre 13 située au plus proche de la partie centrale de la chambre principale 5.

Cette caractéristique avantageuse permet d'initier la combustion dans une zone comprenant en général peu de produits de combustion résiduels. Ceci améliore l'initiation de la combustion dans la préchambre 13.

Le dispositif d'allumage selon l'invention peut io avantageusement générer plusieurs points de focalisation à partir d'un ou plusieurs faisceaux laser.

C'est-à-dire que, pour au moins un cycle de combustion déterminé du moteur, les moyens d'allumage laser 1, 2, 6 peuvent être conformés pour focaliser une pluralité d'impulsions laser simultanées et/ou successives. La pluralité d'impulsions peuvent être focalisées dans des lieux identiques ou distincts de la préchambre 13 etlou de la chambre principale 5.

La figure 4 illustre une variante de réalisation de l'invention avec plusieurs points de focalisation simultanés. Les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits une seconde fois. La réalisation de la figure 4 se distingue de celle de la figure 1 uniquement en ce qu'un dispositif optique biréfringent 12 est disposé en aval de la seconde lentille 7 et en amont de la fenêtre 9.

Le dispositif optique biréfringent 12 peut comporter une lame semiréfléchissante ou un prisme pour permettre de séparer en deux l'impulsion laser initiale et ainsi créer deux points de focalisation distincts. Le dispositif optique biréfringent 12 peut en particulier séparer en deux l'impulsion laser en fonction de son état de polarisation par les moyens 6 associés à la source 2.

L'utilisation d'un prisme à déplacement de faisceau permet de générer deux points de focalisation (ou plus) dans la préchambre 13 dans des zones ou les conditions aérodynamiques et chimiques sont sensiblement différentes (l'utilisation d'un prisme du type Wollaston ou Thompson est aussi envisageable). Cette caractéristique est particulièrement avantageuse notamment dans le cas où est prévue la génération d'un mouvement de tourbillon ("swirl") à l'intérieur de la préchambre 13 par une orientation préférentielle des io conduits reliant chambre principale 5 et préchambre 13 (cf. figure 4).

La combinaison d'une initiation par focalisation laser avec la multiplication des zones initiées dans la chambre principale 5 par expulsion de produits de combustion ou en cours de combustion amène à une vitesse de combustion sensiblement augmentée par rapport à l'art antérieur.

Cette vitesse de combustion est améliorée aussi bien lors de la phase d'initiation de la combustion, caractéristique du cas laser, que lors du développement de la propagation de l'inflammation, caractéristique de la combustion par multiples fronts de flammes dans le cas bougie à préchambre.

Tout ou partie des faisceaux laser peuvent être agencés de manière à passer au travers d'un des conduits de la paroi de la préchambre 13. Avantageusement, tout ou partie des faisceaux sont focalisés à l'extérieure de la préchambre 13, dans le voisinage de la paroi de séparation (cf. figure 3). Cette configuration permet de générer un plasma dans une zone ou l'écoulement des fluides est préférentiellement dirigé vers la préchambre pendant la phase de compression.

Le développement de la flamme dans la préchambre permet via l'augmentation de la pression dans la préchambre 13 une éjection de multiples fronts de flamme vers la chambre 5 principale. i0

Ainsi, tout en étant de structure simple, l'invention permet de diminuer la consommation en carburant et ainsi des émissions polluantes en fonctionnant avec moins de carburant. Ceci est obtenu en améliorant le rendement du cycle thermodynamique.

De plus, l'augmentation de la vitesse de combustion obtenue grâce à l'invention pourra, sur des fonctionnements à pleine charge du moteur, permettre de diminuer la température de fin de combustion. Ceci permet de s'affranchir de la io nécessité d'enrichir en carburant le mélange pour diminuer la température d'échappement.

L'invention s'applique notamment aux moteurs à allumage commandé, avec ou sans suralimentation, et plus particulièrement les moteurs fonctionnant en mélange pauvre (injection directe en particulier). L'invention peut également s'appliquer aux moteurs Diesel et aux moteurs à combustion homogène Diesel (HCCI, PCCI) avec ou sans suralimentation.

De plus, l'invention peut s'appliquer aux dispositifs d'allumage à préchambre dont tout ou partie des passages 14 entre la chambre principale 5 et la préchambre 15 ne laissent pas passer un front de flamme.

L'invention s'applique préférentiellement aux allumeurs à préchambre dans lesquels le mélange de combustion (air + carburant liquide par exemple) est injecté dans la chambre 5 principale. Dans ce cas, les réactifs destinés à être inflammés dans la préchambre 13 peuvent être constitués d'une fraction du mélange combustible de la chambre principale 5 ayant transité via le ou les passages 14. Bien entendu l'invention peut également s'appliquer aux allumeurs dans lesquels tout ou partie du mélange de combustion est injecté dans la préchambre 13. De plus, l'invention peut également s'appliquer aux moteurs à carburant gazeux (par exemple GNV). Il

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne, comprenant une préchambre (13) destinée à recevoir des réactifs et comportant au moins un passage (14) destiné à faire communiquer la préchambre (13) avec une chambre (5) de combustion principale d'un moteur, des moyens d'allumage (1, 2, 6) destinés à initier une inflammation de réactifs situés dans la préchambre et/ou dans la chambre principale (5), de façon à permettre le passage de composés instables provenant io de la combustion des réactifs contenus dans la préchambre (13) vers la chambre principale (5), caractérisé en ce que les moyens d'allumage comportent des moyens laser (1, 2, 6).

2. Dispositif d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) comportent des moyens (2) d'émission d'au moins un faisceau laser et des moyens (7) de focalisation du ou des faisceaux.

3. Dispositif d'allumage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de focalisation comprennent au moins une lentille (7) fixe ou mobile.

4. Dispositif d'allumage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de focalisation comprennent une première lentille (7) destinée à colimater le ou les faisceaux et une seconde lentille (7) destinée à focaliser le ou les faisceaux colimatés.

5. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) comportent des moyens (6) de polarisation du ou des faisceaux émis.

6. Dispositif d'allumage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) comportent des moyens multiréfringents tel qu'un prisme pour générer plusieurs points de focalisation à partir d'un seul faisceau polarisé.

7. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le ou les faisceaux laser émis ont une longueur d'onde de l'ordre de 200 à 2500 nm.

8. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le ou les faisceaux laser sont émis sous la forme d'impulsions ayant chacune un niveau d'énergie supérieur à 2 mJ et une durée comprise entre 1 à 20 ns.

9. Moteur à combustion interne avec au moins un organe moteur, l'organe moteur comprenant une chambre principale (5) destinée à contenir, pour chaque cycle de combustion, un mélange combustible, un système de compression (17) dudit mélange, et un dispositif d'allumage (1, 2, 6), caractérisé en ce que le dispositif d'allumage est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, de façon à permettre le passage de composés instables provenant de la combustion des réactifs contenus dans la préchambre (13) vers la chambre principale (5), le système de compression (17) de la chambre principale (5) et les composés instables coopérant de façon à permettre une inflammation en masse dans la chambre principale (5).

10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que, pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) sont conformés pour réaliser la focalisation d'au moins une partie d'au moins une impulsion laser dans la préchambre (13) et/ou dans la chambre principale (5).

11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) focalisent majoritairement la ou les impulsions dans la moitié du volume de la préchambre (13) située au plus proche de la partie centrale de la chambre principale (5).

12. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) focalisent majoritairement la ou les impulsions dans la partie centrale de la préchambre (13).

13. Moteur selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que, pour au moins un cycle de combustion déterminé, les moyens d'allumage laser (1, 2, 6) sont conformés pour focaliser une pluralité d'impulsions laser simultanées et/ou successives, les impulsions étant focalisées dans des lieux identiques ou distincts de la préchambre (13) et/ou de la chambre principale (5).

14. Moteur selon l'une quelconque des 9 à 13, caractérisé en ce que la préchambre communique avec la chambre principale 20 (5) par un nombre de passage de l'ordre de un à vingt.

15. Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 14 caractérisé en ce que le ou les passages ont des dimensions comprises entre 0,5 et 3 mm environ.

16. Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que le mélange combustible comprend un carburant gazeux ou liquide tel que de l'essence et un comburant tel que de l'oxygène.

17. Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que, les réactifs de la préchambre (13) comportent une fraction du mélange combustible de la chambre principale (5) ayant transité via le ou les passages.