EP1556591A2 - Moteur a combustion interne a suralimentation et bougie a prechambre, procede d allumage et application - Google Patents

Moteur a combustion interne a suralimentation et bougie a prechambre, procede d allumage et application

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Publication number
EP1556591A2
EP1556591A2 EP03778401A EP03778401A EP1556591A2 EP 1556591 A2 EP1556591 A2 EP 1556591A2 EP 03778401 A EP03778401 A EP 03778401A EP 03778401 A EP03778401 A EP 03778401A EP 1556591 A2 EP1556591 A2 EP 1556591A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
prechamber
fuel
engine
head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03778401A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Tourteaux
Cyril Appartement 106 - Bâtiment D ROBINET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Peugeot Citroen Automobiles SA
Publication of EP1556591A2 publication Critical patent/EP1556591A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B17/00—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
    • F02B17/005—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders having direct injection in the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine with supercharging and pre-chamber spark plug, an ignition method and an application of the method to the engine. It is intended for the gasoline, gas or other internal combustion engine industry in two or four times, as well for motorized vehicles such as motorcycles, cars, aircraft ... as motorized devices such as generators, tools or others. Although preferably implemented in a piston and crankshaft engine, it can be applied to an engine of the rotary type.
  • Each drive member comprises a combustion chamber, also called a cylinder, of a combustible mixture of the type of fuel and oxidizing components, generally petrol and air, and provided with a compression system, in this case a piston for this type. engine, a fuel mixture ignition system by an electric spark generator as well as sequential flow devices for fuel and oxidizing components and for combustion products.
  • This type of engine is conventionally known and will not be detailed here.
  • a booster is generally a turbine actuated by the exhaust gases and which compresses the air which must be admitted into the cylinders.
  • Other types of blowers can be used, turbo-compressors, simple compressors, pressure wave systems, etc.
  • Supercharged engines require thermal protection of the booster system. Indeed, considering the case of a turbine actuated by the exhaust gases, it is exposed directly to the flow of hot gases leaving the engine while the turbine has a maximum allowable, destructive, limited temperature. Usually, to overcome this drawback, enrichment is used by adding fuel to limit the temperature of the burnt gases leaving the engine. In fact, the excess fuel thus supplied cannot burn because the quantity of air present in the cylinder is insufficient (the quantity of air present in the cylinder only burns fuel equivalent to the richness 1), and this excess fuel by vaporizing (latent heat of vaporization) allows the charge to cool. The gases therefore leave the cylinder less hot.
  • EP-0957246 discloses a gas engine (CH 4 ) whose ignition control is achieved by injecting a small amount of liquid fuel into a prechamber.
  • the object of the invention is to propose an ignition system making it possible to reduce the enrichment in a supercharged engine while allowing correct combustion, that is to say with a correct combustion efficiency, even in the case of preparation. unfavorable mixture.
  • the ignition system comes in place of the spark plug on a conventional engine and no specific arrangement of the cylinder head is necessary.
  • the ignition system comprises in its part in relation to the combustion chamber, a substantially spherical head pierced with holes or orifices of passage or passages, these terms being equivalent. Inside this head, there are one or more electrodes making it possible to create a spark by applying a voltage between them.
  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one drive member, the drive member comprising:
  • the ignition system comprises a closed substantially spherical head with a wall enclosing the igniter in a prechamber, the head comprising a set of orifices intended to make the combustion chamber and the prechamber communicate so that the mixture fuel can pass into the prechamber.
  • the igniter includes an electric spark generator
  • the ignition system is a pre-chamber candle
  • the ignition system includes a system for introducing fuel and oxidizing components directly into the prechamber
  • the ignition system includes an introduction device allowing the direct introduction of a combustible mixture into the prechamber, the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head is convex towards the outside of the prechamber,
  • the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head is concave towards the outside of the prechamber
  • the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head is substantially a polyhedron, a cone, - the spark plug head has a wall of the grid or porous material type,
  • the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head is made of a material with thermal conductivity greater than 10W / K / m
  • the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head is made in a material with thermal conductivity preferably greater than 30W / K / m
  • the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head is made of copper alloy with high conductivity
  • the copper alloy is CuCrI Zr
  • the partition wall between the prechamber and the combustion chamber of the head comprises a refractory material
  • the wall of the head is covered with a substance facilitating the reactive combination of the fuel and oxidizing components and / or the ultimate degradation of the products combustion
  • each orifice of the prechamber on the head has a diameter less than or equal to 3 mm
  • the orifices of the prechamber of the head are organized on the head so that the combustion of the combustible mixture in the prechamber causes jets of material through the orifices towards the combustion chamber distributed so as to ensure homogeneity of combustion of the fuel mixture substantially throughout the combustion chamber, - at least one of the passage devices is a direct injector in the chamber combustion for all or part of the fuel and / or oxidizing components,
  • the compression system is a piston in a cylindrical combustion chamber with a central axis, the injector being disposed substantially axially opposite the piston and the ignition system laterally with respect to the injector, and the orifices are mainly arranged towards the axis,
  • - compression system is a piston in a cylindrical combustion chamber with a central axis, the ignition system being disposed substantially axially opposite the piston and the injector laterally with respect to the spark plug, and the orifices are distributed regularly over the surface of the head,
  • the compression system is a piston in a cylindrical combustion chamber with a central axis, the injector and the ignition system being arranged laterally with respect to said axis, and the orifices are mainly arranged towards the axis,
  • the head of the spark plug is arranged on a part of the path of the fuel components injected so that said head can be wetted by said fuel components during their direct injection
  • each orifice allowing the passage of the flame front has a diameter of between 1 and 3 mm
  • the orifices with passage dimensions not allowing the passage of a flame front from the prechamber to the combustion chamber while allowing the passage of unstable species resulting from the combustion in the prechamber to allow self-ignition of the combustible mixture in the combustion chamber,
  • the head can therefore have orifices of the two preceding types, that is to say leaving and not letting the flame front pass),
  • the number of orifices allowing the propagation of a flame front formed in the head of the prechamber body varies from 1 to 5 and preferably is 1 and the number of orifices not allowing the propagation of a front of flame varies from 1 to 20, preferably from 3 to 15,
  • each orifice which does not allow the flame front to pass has a diameter of less than 1 mm
  • each orifice which does not allow the flame front to pass has a diameter of between 0.5 and 1 mm, - each orifice has a length less than its diameter
  • the engine also comprises means making it possible to re-inject with the oxidizing components part of the combustion products,
  • the injector is with multiple jets, one of the jets being directed towards the head,
  • the richness of the mixture is greater than or equal to one in at least one operating mode of the engine.
  • the invention also relates to a method of igniting an internal combustion engine having at least one engine member, the engine member comprising:
  • a combustion chamber of a combustible mixture of the type of fuel and oxidizing components provided with a compression system, - a fuel mixture ignition system by an igniter,
  • an ignition system comprising a closed substantially spherical head with a wall enclosing the igniter in a prechamber, the head comprising a set of orifices intended to make the combustion chamber and the prechamber communicate so that the mixture fuel can pass into the prechamber,
  • An ignition of the combustible mixture in the prechamber is caused by the igniter, the orifices of the prechamber allowing the ignition of the combustible mixture in the combustion chamber.
  • the preceding steps are also implemented in a process characterized in that unstable species resulting from combustion in the prechamber are allowed to pass through the orifices in order to allow self-ignition of the combustible mixture of the combustion chamber without however leaving pass the flame front from the prechamber to the combustion chamber.
  • the invention also relates to an application of the methods according to the preceding characteristics to the engine according to one or more of the characteristics of the motors listed above, and in particular, direct injection is implemented.
  • the invention finally relates to a pre-chamber candle for implementation in the engine of the invention and according to one or more of the corresponding characteristics previously listed.
  • the implementation of the invention in a supercharged engine therefore makes it possible to limit the enrichment at high load because the combustion is faster and ends earlier in the engine cycle.
  • the gases from the combustion therefore leave the cylinder less hot because the time between the end of combustion and the valve opening is longer.
  • the enrichment required to protect the turbine can therefore be less, hence lower consumption on this type of supercharged engine compared to a conventional spark plug ignition.
  • the other advantages provided by the present invention are the protection of the spark plug electrodes. The probability of the presence of a fuel mixture in the vicinity of the electrodes is higher.
  • the Prechamber ignition system allows for more stable combustion, even in the case of an inconsistent mixture. Indeed, on the one hand several flame fronts reach different zones of the combustion chamber and on the other hand, the radicals emitted by the orifices of the igniter seed the combustion chamber at different points and under the combined effects of the pressure and temperature generated by the rise of the piston, these precursors ignite the mixture at different points in the combustion chamber. The probability of having precursors in a zone favorable to the initiation of combustion is therefore much higher than in the case of a conventional candle.
  • the wall of the prechamber protects the electrodes from the impact of liquid fuel on them, resulting in better behavior when starting cold and reducing fouling of the spark plug.
  • FIG. 1 which represents seen in the prechamber the progression of the combustion produced by a spark
  • FIG. 2 which represents seen from the combustion chamber the various orifices of the spark plug head
  • Figures 3, 4, 5, 6 which represent a sectional view of a cylinder for different operating phases of an engine according to the invention in the case of direct injection
  • Figure 7 which shows an exemplary embodiment of a spark plug type ignition system partially in section
  • Figure 8 which shows an exemplary embodiment of a head of the ignition system.
  • Ignition systems the igniter of which is a spark gap intended to produce electric sparks, of the spark plug type, may have different configurations depending on the type of engine and / or the desired performances.
  • the candles can be longer or shorter.
  • the invention which implements a pre-chamber candle can employ different configurations of candles and will give a particular example at the end of the description.
  • the candle comprises a prechamber according to characteristics which will now be specified.
  • the S / V ratio As for the S / V ratio, it is a quality indicator. The lower this ratio, the better the efficiency of use of the oxidant and fuel. The optimal case is that of the spherical prechamber.
  • the ignition system of the pre-chamber spark plug type of the invention is a component which does not require any particular machining at the level of the engine.
  • the implantation can be done in a conventional spark plug well since its diameter can be less than or equal to 14 mm.
  • the volume of the prechamber can be between 0.2 and 2 cm 3 .
  • the prechamber has a volume of less than 1.5 cm 3 , generally between 0.5 cm 3 and 1.5 cm 3 .
  • the ratio between the volume of the prechamber and the dead volume of the main chamber varies between 0, 1 and 5%, preferably between 0, 1 and 2%.
  • the shape of the head of the ignition system is preferably a spherical cap.
  • the ignition system may also include an inlet allowing the prechamber to be supplied directly with a combustible mixture formed upstream or the introduction of fuel, the air then being mixed with the fuel in the prechamber.
  • the ignition system comprises in its part in relation to the combustion chamber, a spherical head pierced with holes or orifices or passages, these terms being equivalent in the context of the invention. Inside this head, there is the igniter in the form of one or more electrodes making it possible to create a spark by applying a voltage between them.
  • the CuCr-iZr alloy is a grade of the CRM 16x alloy with a nominal composition Cr> 0.4%, Zr from 0.022% to 0.1% and the rest of the copper.
  • the prechamber can be made of a material having a thermal conductivity greater than 10W / K / m and preferably greater than 30W / K / m.
  • a material having a thermal conductivity greater than 10W / K / m and preferably greater than 30W / K / m.
  • the use of such a material, preferably a copper alloy allows energy to be evacuated at the level of the prechamber wall and thus to mitigate the appearance of hot spots at the prechamber.
  • the CuCrI Zr alloy the thermal conductivity at 20 ° C of 320W / K / m.
  • the following table presents various binary brasses, cupro-nickels, cupro-aluminum and nickel silver which can be used as material for the prechamber body.
  • the level of thermal conductivity as well as the behavior mechanical at high temperature (450-1000K) conditions the choice of material.
  • Cupro-aluminum 75 to 84 W / (m • K) (Cu Al 5, Cu Al 6), 38 to 46 W / (m • K) (Cu Al 10 Fe 5 Ni 5)
  • This type of pre-chamber spark plug is preferably used with an engine having an optimized cylinder head permeability to the detriment of the aerodynamics of the combustion chamber. Indeed, the combustion mode resulting from the use of the pre-chamber candle allows a combustion speed sufficient to dispense with an increase in the combustion speed via the aerodynamics of the combustion chamber.
  • the invention can be implemented both on a conventional supercharged engine in which a combustible mixture is introduced into the combustion chamber, that is to say that the mixture was made upstream of the engine member, as on an engine with direct injection of fuel components.
  • FIG. 1 therefore represents, seen in the prechamber 1, the progression of combustion 2 produced by a spark 3.
  • FIG. 2 therefore represents, seen from the combustion chamber 4, the various orifices 5 in the wall of the spark plug head 6 allowing communications between the prechamber 1 and the combustion chamber 4, also called the main chamber. Thanks to these communications, on the one hand, of the combustible mixture passes from the combustion chamber to the prechamber and, on the other hand, after ignition in the prechamber, the combustible mixture of the combustion chamber may be caused to ignite.
  • the arrangement of the orifices allows a substantially homogeneous distribution of the flame front and / or of the unstable species which allow the ignition of the combustible mixture of the combustion chamber.
  • the candle and its head are a single component which replaces a traditional candle which does not require modification of the cylinder head passage for the candle.
  • the ignition system thus consists of a device which takes the place of the traditional candle.
  • the system generating the spark be modified according to the shape of the head and, for example that the central electrode advances further into the head and approaches the wall thereof so that the an electric arc is formed between the central electrode and the wall of the head.
  • the wall must include an electrically conductive material for the return to ground of the spark current.
  • the spark plug head is a removable part, for example by screwing, and that it can be unscrewed to access / to the spark plug electrodes for a possible spacing adjustment or inspection.
  • the head may be desirable for the head to extend laterally backwards in a screwing zone on the cylinder head so that it is maintained and does not risk unscrewing and falling into the combustion chamber following the motor trepidation.
  • the examples given are purely indicative and that the invention can be declined according to various possibilities. We have thus seen that it was possible to use a head with orifices of both types, that is to say leaving and not letting the flame front pass. Similarly, the orientations of the orifices can be optimized depending on the relative arrangement of the various components in the engine.
  • direct injection engines are generally penalized in preparation for the mixture compared to injection engines in intake ducts by problems of homogeneity of the mixture in the combustion chamber.
  • direct injection engines present, in certain configuration configurations of the injector injector and of the spark plug, problems of direct impact of the fuel on the spark plug electrodes, hence problems of cold starting. and fouling of the spark plug electrodes.
  • direct injection engines are sensitive to the impact of relatively cold fuel on the cylinder walls. However, to ensure correct initiation (ignition), it may be necessary to have a jet large enough so that it passes near the spark plug, which implies a significant wall effect.
  • FIG. 3 the phase of injection of the fuel components by the injector 8 is in progress and a part of the fuels comes to wet the head 6 of the spark plug 7 which envelops the prechamber.
  • FIG. 3 the phase of injection of the fuel components by the injector 8 is in progress and a part of the fuels comes to wet the head 6 of the spark plug 7 which envelops the prechamber.
  • the engine being hot, the fuels are vaporized both on the piston 9 which has a “piston bowl” and on the head 6 of the spark plug 7.
  • the phase of compression is started and the combustible mixture passes from the combustion chamber 4 to the prechamber 1 of the spark plug 7.
  • the combustion phase is started from the prechamber 1 in which a spark has been produced and by passage , through the orifices 5 of the head 6, of the flame front and / or according to the type of orifice, unstable species for propagation towards the combustion chamber 4.
  • the implementation of the invention allows a reduction in knocking, this being in particular perceptible in the case of the operation of the motor at high load.
  • low engine load operation is meant the engine operating range from idle to a quarter of the full engine load, preferably the range from idle to 10% of full load in the case of an atmospheric engine and the range from idle to 5% of full load in the case of a highly supercharged engine.
  • holes are implemented in the wall of the head which have a differential effect of passage or not of the flame front as a function of the engine load.
  • This effect can be obtained for example by at least one orifice allowing the propagation of a flame front at low load and at least one orifice not allowing the propagation of a flame front under all load conditions or, then, by only at least one orifice allowing the propagation of a flame front at low charge.
  • the flame front can pass from the prechamber towards the main combustion chamber by means of the passage (s) allowing the propagation of a flame front and the ignition is thus caused of the main fuel mixture by means of a flame front.
  • the structure of the orifices which let the flame front pass at low charge is such that, at high charge, the flame front no longer passes, said orifices causing extinction of the flame front and these are then the unstable compounds resulting from the combustion of the combustible mixture of the prechamber which lead to self-ignition in mass of the main combustible mixture sown with unstable compounds in the main chamber.
  • the pressure differential between the prechamber and the main chamber prevents the flame front from propagating from the prechamber to the main chamber.
  • the passages allow the flow of unstable compounds to pass from the prechamber to the main chamber and, when the piston rises, the compression produces mass self-ignition of the main mixture.
  • the internal and / or external faces of the wall of the head of the prechamber as well as, optionally, the walls of the orifices are coated with '' a refractory coating, such as, for example, coatings of Al 2 O 3 , ZrY (not necessarily stoichiometric) and TiB 2 .
  • the thickness of these coatings is generally between 5 and 100 ⁇ m, preferably 1 to 50 ⁇ m. This increases the combustion efficiency in the prechamber and improves operation at low loads, in particular in the case of highly supercharged engines.
  • FIG. 7 a particular example of a pre-chamber candle which includes a body in extension of the head.
  • the spark plug 7 is mounted screwed into a thread 10a of the cylinder head 10 closing a cylinder of an internal combustion engine of which only a part has been shown.
  • the candle 7 comprises a body 12 of prechamber 1 of generally tubular shape and comprising a head 12a of generally convex shape, preferably having the shape of a spherical cap.
  • the head 12a of the body 12 of prechamber 1 constitutes a partition wall between the combustion chamber 4 and the prechamber 1.
  • the prechamber 1 comprises the igniter comprising a central electrode 13 and a ground electrode 14.
  • the head 12a constituting the partition wall between the combustion chamber 4 and the prechamber 1 is provided of various passage orifices 5, shown in more detail in FIG. 8.
  • the orifices 5, of generally cylindrical shape comprise a passage 5a, having a large diameter, that is to say a diameter greater than 1 mm, generally between more than 1 mm and 3 mm and a series orifices 5b to 5i (7 in the embodiment of FIG. 8) having a small diameter, that is to say less than or equal to 1 mm.
  • the length of the passages is less than 1 mm and they are here oriented along radii of the hemispherical head 12a. It has also been seen that the orientation and / or the structure of the orifices can be adapted to the particular configuration of the elements of the engine.
  • the head 12a can comprise several orifices of large diameter.
  • the number and the size of the orifices must be such that no flame front can propagate from the prechamber to the combustion chamber when the engine is running at high load.

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Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion interne avec au moins un organe moteur, l'organe moteur comportant une chambre de combustion (4) d'un mélange combustible à type de composants carburants et comburants, un système d'allumage du mélange combustible par un allumeur (7), des dispositifs de passage séquentiels pour les composants carburants et comburants et pour les produits de combustion, le moteur étant du type à suralimentation par surpression des composants comburants en amont de l'organe moteur. Selon l'invention, le système d'allumage comporte une tête (6)(12a) fermée sensiblement sphérique enfermant l'allumeur dans une préchambre, la tête comportant un ensemble d'orifices (5) destinés à faire communiquer la chambre de combustion et la préchambre afin que du mélange combustible puisse passer dans la préchambre. Dans une variante de l'invention, au moins un des dispositifs de passage est un injecteur direct dans la chambre de combustion pour tout ou partie des composants carburants et/ou carburants. Un procédé et une application sont également décrits.

Description

Moteur à combustion interne à suralimentation et bougie à préchambre, procédé d'allumage et application.
La présente invention concerne un moteur à combustion interne à suralimentation et bougie à préchambre, un procédé d'allumage et une application du procédé au moteur. Elle est destinée à l'industrie des moteurs à essence, gaz ou autres, à combustion interne à deux ou quatre temps, aussi bien pour des engins motorisés à type motocycles, automobiles, aéronefs... que des appareillages motorisés à type de générateurs, outillages ou autres. Bien que préférentiellement mise en œuvre dans un moteur à piston et vilebrequin, elle peut s'appliquer à un moteur du type rotatif.
Les moteurs à combustion interne sont connus depuis de nombreuses années et ont constamment évolués. On prend ici, à titre d'état de la technique, les moteurs à combustion interne les plus classiques, c'est-à-dire à piston et vilebrequin permettant de transformer un mouvement alternatif d'un piston sous l'effet de la combustion d'un mélange combustible, en un mouvement circulaire. Ce type de moteur comporte un ou plusieurs organes moteurs. Chaque organe moteur comporte une chambre de combustion , également appelée cylindre, d'un mélange combustible à type de composants carburants et comburants, en général essence et air, et munie d'un système de compression, en l'espèce un piston pour ce type de moteur, un système d'allumage du mélange combustible par un générateur d'étincelles électriques ainsi que des dispositifs de passage séquentiels pour les composants carburants et comburants et pour les produits de combustion. Le fonctionnement de ce type de moteur qu'il soit à deux ou à quatre temps est classiquement connu et il ne sera pas détaillé ici. On considère ici plus particulièrement les moteurs suralimentés dans lesquels on introduit dans la chambre de combustion au moins les composants comburants à une pression élevée grâce à un surpresseur. Ce surpresseur est en général une turbine actionnée par les gaz d'échappement et qui compresse l'air qui doit être admis dans les cylindres. D'autres types de surpresseurs peuvent être utilisés, les turbo-compresseurs, les compresseurs simples, les systèmes à onde de pression, etc.
Les moteurs suralimentés nécessitent une protection thermique du système de surpression. En effet, en considérant le cas d'une turbine actionnée par les gaz d'échappement, celle-ci est exposée directement au flux de gaz chauds sortant du moteur alors que la turbine présente une température maximale admissible, destructrice, limitée. Usuellement, pour pallier cet inconvénient, on a recours à l'enrichissement par ajout de carburant pour limiter la température des gaz brûlés en sortie du moteur. En effet, le surplus de carburant ainsi apporté ne peut pas brûler car la quantité d'air présente dans le cylindre est insuffisante (la quantité d'air présente dans le cylindre ne permet de brûler que le carburant équivalent à la richesse 1 ), et ce surplus de carburant en se vaporisant (chaleur latente de vaporisation) permet le refroidissement de la charge. Les gaz sortent donc moins chaud du cylindre. Toutefois cet effet est proportionnel au surplus d'essence apporté et cette essence ne sert qu'à refroidir les gaz ce qui entraîne une augmentation de la consommation. Depuis quelques années on a souhaité optimiser le fonctionnement des moteurs à combustion interne et en particulier de réduire leur consommation en carburant et les rejets des produits de combustions, ceux-ci devant de plus être des produits ultimes de combustion et limiter les espèces azotées oxydées. Pour ce faire, des perfectionnements ont été apportés au fonctionnement de base de ce type de moteur. Ces perfectionnements concernent par exemple le dispositif d'allumage, des dispositifs additionnels, des modalités de fourniture des composants comburants et carburants, notamment avec les moteurs à injection directe. Les progrès de l'électronique et des calculateurs ont également permis d'améliorer le fonctionnement des moteurs. Par exemple, on connaît par le brevet EP-0831213 ayant pour titulaire DAIMLERCHRYSLER AG, un moteur à combustion interne à injection directe qui utilise un allumage par étincelle avec une bougie d'allumage. Un injecteur permet avec une pression élevée d'injecter directement des composants carburants dans la chambre de combustion. La bougie comporte simplement un manchon qui est ouvert dans la chambre de combustion.
Par les demandes FR-2.781.840 et FR-2.810.692 on connaît des dispositions particulières de l'organe moteur avec préchambre séparée de la chambre de combustion par une paroi ne laissant pas passer le front de flamme produit par l'inflammation d'un mélange combustible dans la préchambre. On connaît par EP-0957246 un moteur à gaz (CH4) dont la maîtrise de l'inflammation est réalisée par l'injection d'une petite quantité de carburant liquide dans une préchambre.
Si l'ensemble de ces perfectionnements a largement permis de réduire la consommation et les émissions, les moteurs correspondants présentent toujours des limitations. En particulier, les moteurs à suralimentation sont pénalisés par une surconsommation en carburant due à l'enrichissement. L'invention a pour but de proposer un système d'allumage permettant de réduire l'enrichissement dans un moteur suralimenté tout en permettant une combustion correcte, c'est-à-dire avec un rendement de combustion correct, même dans des cas de préparation du mélange défavorable. Dans un mode de réalisation préféré, le système d'allumage vient en lieu et place de la bougie sur un moteur conventionnel et aucun aménagement spécifique de la culasse n'est nécessaire. Le système d'allumage comporte dans sa partie en relation avec la chambre de combustion, une tête sensiblement sphérique percée de trous ou orifices de passage ou passages, ces termes étant équivalents. A l'intérieur de cette tête, on trouve une ou plusieurs électrodes permettant de créer une étincelle par application d'une tension entre celles-ci. Ainsi l'invention concerne un moteur à combustion interne avec au moins un organe moteur, l'organe moteur comportant :
- une chambre de combustion d'un mélange combustible à type de composants carburants et comburants munie d'un système de compression,
- un système d'allumage du mélange combustible par un allumeur,
- des dispositifs de passage séquentiels pour les composants carburants et comburants et pour les produits de combustion, le moteur étant du type à suralimentation par surpression des composants comburants en amont de l'organe moteur.
Selon l'invention, le système d'allumage comporte une tête fermée sensiblement sphérique avec une paroi enfermant l'allumeur dans une préchambre, la tête comportant un ensemble d'orifices destinés à faire communiquer la chambre de combustion et la préchambre afin que du mélange combustible puisse passer dans la préchambre.
Dans divers modes de mise en œuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés:
- l'allumeur comporte un générateur d'étincelles électriques,
- le système d'allumage est une bougie à préchambre,
- le système d'allumage comporte un système d'introduction de composants carburants et comburants directement dans la préchambre,
- le système d'allumage comporte un dispositif d'introduction permettant l'introduction directe d'un mélange combustible dans la préchambre, - la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête est convexe vers l'extérieur de la préchambre,
- alternativement, la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête est concave vers l'extérieur de la préchambre,
- alternativement, la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête est sensiblement un polyèdre, un cône, - la tête de bougie comporte une paroi du type grille ou matériau poreux,
- la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête est réalisée dans un matériau à conductivité thermique supérieure à 10W/K/m, - la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête est réalisée dans un matériau à conductivité thermique préférentiellement supérieure à 30W/K/m,
- la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête est réalisée en alliage cuivre à conductivité élevée,
- l'alliage de cuivre est CuCrI Zr,
- la paroi de séparation entre la préchambre et la chambre de combustion de la tête comporte un matériau réfractaire, - la paroi de la tête est recouverte d'une substance facilitant la combinaison réactive des composants carburants et comburants et/ou la dégradation ultime des produits de combustion,
- chaque orifice de la préchambre sur la tête a un diamètre inférieur ou égal à 3 mm,
- les orifices de la préchambre de la tête sont au nombre minimum de trois,
- les orifices de la préchambre de la tête sont organisés sur la tête de manière à ce que la combustion du mélange combustible dans la préchambre provoque des jets de matière à travers les orifices vers la chambre de combustion répartis d'une manière à assurer une homogénéité de la combustion du mélange combustible sensiblement dans l'ensemble de la chambre de combustion, - au moins un des dispositifs de passage est un injecteur direct dans la chambre de combustion pour tout ou partie des composants carburants et/ou comburants,
- le système de compression est un piston dans une chambre de combustion cylindrique à axe central, l'injecteur étant disposé sensiblement axialement à l'opposé du piston et le système d'allumage latéralement par rapport à l'injecteur, et les orifices sont majoritairement disposés vers l'axe,
- système de compression est un piston dans une chambre de combustion cylindrique à axe central, le système d'allumage étant disposé sensiblement axialement à l'opposé du piston et l'injecteur latéralement par rapport à la bougie, et les orifices sont répartis régulièrement sur la surface de la tête,
- le système de compression est un piston dans une chambre de combustion cylindrique à axe central, l'injecteur et le système d'allumage étant disposés latéralement par rapport audit axe, et les orifices sont majoritairement disposés vers l'axe,
- tête de la bougie est disposée sur une partie du trajet des composants carburants injectés afin que ladite tête puisse être mouillée par lesdits composants carburants lors de leur injection directe,
- au moins un des orifices à des dimensions de passage permettant le passage d'un front de flamme de la préchambre vers la chambre de combustion , - chaque orifice permettant le passage du front de flamme a un diamètre compris entre 1 et 3 mm,
- au moins un des orifices à des dimensions de passage ne permettant pas le passage d'un front de flamme de la préchambre vers la chambre de combustion tout en permettant le passage d'espèces instables résultant de la combustion dans la préchambre afin de permettre une autoinflammation du mélange combustible de la chambre de combustion,
(la tête peut donc comporter des orifices des deux types précédents, c'est-à-dire laissant et ne laissant pas passer le front de flamme),
- le nombre d'orifices permettant la propagation d'un front de flamme ménagés dans la tête du corps de préchambre varie de 1 à 5 et de préférence est de 1 et le nombre d'orifices ne permettant pas la propagation d'un front de flamme varie de 1 à 20, de préférence de 3 à 15,
- l'ensemble des orifices a des dimensions de passage ne permettant pas le passage du front de flamme de la préchambre vers la chambre de combustion tout en permettant le passage d'espèces instables,
- chaque orifice qui ne laisse pas passer le front de flamme a un diamètre inférieur à 1 mm,
- chaque orifice qui ne laisse pas passer le front de flamme a un diamètre compris entre 0,5 et 1 mm, - chaque orifice a une longueur inférieure à son diamètre,
- le moteur comporte en outre des moyens permettant de réinjecter avec les composants comburants une partie des produits de combustion,
- l'injecteur est à jets multiples, un des jets étant dirigé vers la tête,
- les jets sont séquentiellement répartis au cours du temps,
- la richesse du mélange est supérieure ou égale à un dans au moins un mode de fonctionnement du moteur.
L'invention concerne également un procédé d'allumage d'un moteur à combustion interne ayant au moins un organe moteur, l'organe moteur comportant:
- une chambre de combustion d'un mélange combustible à type de composants carburants et comburants munie d'un système de compression, - un système d'allumage du mélange combustible par un allumeur,
- des dispositifs de passage séquentiels pour les composants carburants et comburants et pour les produits de combustion, le moteur étant du type à suralimentation par surpression des composants comburants en amont de l'organe moteur. Selon l'invention de procédé :
- on met en œuvre un système d'allumage comportant une tête fermée sensiblement sphérique avec une paroi enfermant l'allumeur dans une préchambre, la tête comportant un ensemble d'orifices destinés à faire communiquer la chambre de combustion et la préchambre afin que du mélange combustible puisse passer dans la préchambre,
- on introduit dans la chambre de combustion les composants carburants et les composants comburants qui forment le mélange combustible dans la chambre de combustion,
- on provoque une inflammation du mélange combustible dans la préchambre par l'allumeur, les orifices de la préchambre permettant l'inflammation du mélange combustible de la chambre de combustion.
Les étapes précédentes sont également mises en œuvre dans un procédé caractérisé en ce qu'on laisse passer par les orifices des espèces instables résultant de la combustion dans la préchambre afin de permettre une auto-inflammation du mélange combustible de la chambre de combustion sans toutefois laisser passer le front de flamme de la préchambre vers la chambre de combustion.
L'invention concerne également une application des procédés selon les caractéristiques précédentes au moteur selon l'une ou plusieurs des caractéristiques de moteurs listées précédemment, et en particulier, on met en œuvre une injection directe.
L'invention concerne enfin une bougie à préchambre pour mise en œuvre dans le moteur de l'invention et selon l'une ou plusieurs des caractéristiques correspondantes précédemment listées.
La mise en œuvre de l'invention dans un moteur suralimenté permet donc de limiter l'enrichissement à forte charge car la combustion est plus rapide et se termine plus tôt dans le cycle moteur. Les gaz issus de la combustion sortent donc moins chauds du cylindre car le temps entre la fin de combustion et l'ouverture soupape est plus long. L'enrichissement nécessaire à la protection de la turbine peut donc être moindre, d'où une consommation inférieure sur ce type de moteur suralimenté par rapport à un allumage classique à bougie à électrodes. Les autres avantages apportés par la présente invention sont la protection de/des électrodes de la bougie. La probabilité de présence de mélange carburé au voisinage des électrodes est plus élevée.
De plus, le système d'allumage à Préchambre permet d'obtenir une combustion plus stable, même dans le cas d'un mélange peu homogène. En effet, d'une part plusieurs fronts de flamme atteignent différentes zones de la chambre de combustion et d'autre part, les radicaux émis par les orifices de l'allumeur ensemencent la chambre de combustion en différents points et sous les effets combinés de la pression et de la température générés par la remontée du piston, ces précurseurs enflamment le mélange en différents points de la chambre de combustion. La probabilité d'avoir des précurseurs dans une zone favorable à l'initiation de la combustion est donc beaucoup plus élevée que dans le cas d'une bougie classique. De plus, la paroi de la préchambre protège les électrodes de l'impact de carburant liquide sur celles ci, d'où un meilleur comportement en démarrage à froid et en diminution de l'encrassement de la bougie. Ensuite, dans un mode de réalisation particulier, il est possible d'utiliser un jet d'injecteur venant mouiller directement les parois de la préchambre de combustion, ce qu i a pour effet de favoriser la remontée de mélange carburé à l'intérieur de la préchambre. Ceci peut avoir des effets bénéfiques sur le démarrage et l'initiation en général.
Enfin, dans le cas de la combustion stratifiée, l'injection de carburant sur la tête de l'allumeur chaude permet d'augmenter la robustesse AI/AA par l'effet de la vaporisation du carburant a proximité des électrodes (Al correspond à l'avance à l'injection et AA à l'avance à l'allumage).
L'invention peut ainsi être mise en oeuvre avantageusement dans le cas des moteurs à injection directe d'essence ou de mélange air-essence comme on le verra plus loin en détail. L'injection directe peut en effet concerne soit des carburants seuls généralement sous forte pression de 100 bars, soit un préméiange carburants/comburants généralement sous faible pression, de l'ordre de 5 à 10 bars. La présente invention va maintenant être exemplifiée avec la description qui suit et en relation avec : la Figure 1 qui représente vu dans la préchambre la progression de la combustion produite par une étincelle, la Figure 2 qui représente vu de la chambre de combustion les différents orifices de la tête de bougie, les Figures 3, 4, 5, 6 qui représentent vu en coupe d'un cylindre pour différentes phases de fonctionnement d'un moteur selon l'invention dans le cas d'une injection directe, la Figure 7 qui représente un exemple de réalisation d'un système d'allumage à type de bougie partiellement en coupe, la Figure 8 qui représente un exemple de réalisation d'une tête du système d'allumage.
Les systèmes d'allumage dont l'allumeur est un éclateur destiné à produire des étincelles électriques, du type bougie, peuvent présenter des configurations différentes en fonction du type de moteur et/ou des performances recherchées. Par exemple les bougies peuvent être plus ou moins longues. L'invention qui met en œuvre une bougie à préchambre peut employer différentes configurations de bougies et on en donnera un exemple particulier à la fin de la description. Dans l'invention, la bougie comporte une préchambre selon des caractéristiques qui vont maintenant être précisées.
Des expériences ont été effectuées sur plusieurs configurations de systèmes d'allumages selon l'invention. Les caractéristiques de la bougie à préchambre plus particulièrement évaluée sont:
- Volume: 700 mm3
- Section passage: 5, 1 mm2 - Rapport S/V(mm"1 ): 7,4xl0"3 mm"1
(S étant la somme des sections des passages et V le volume de la préchambre)
- Distance inter-électrodes : 0,7 mm.
En ce qui concerne le rapport S/V, il est un indicateur de qualité. Plus ce rapport est faible, meilleur est le rendement d'utilisation du comburant et de carburant. Le cas optimal est celui de la préchambre sphérique.
Le système d'allumage du type bougie à préchambre de l'invention est un composant ne demandant pas d'usinage particulier au niveau du moteur. L'implantation peut se faire dans un puits de bougie classique de moteur car son diamètre peut être inférieur ou égal à 14 mm. Le volume de la préchambre peut être compris entre 0,2 et 2 cm3. Préférentiellement, la préchambre a un volume inférieur à 1 ,5 cm3, généralement compris entre 0,5 cm3 et 1 ,5 cm3. En général, le rapport entre le volume de la préchambre et le volume mort de la chambre principale varie entre 0, 1 et 5%, de préférence entre 0, 1 et 2%. La forme de la tête du système d'allumage est préférentiellement une calotte sphérique. Facultativement le système d'allumage peut en outre comporter une arrivée permettant d'alimenter directement la préchambre en un mélange combustible constitué en amont ou d'introduire du carburant, l'air étant alors mélangé au carburant dans la préchambre. Le système d'allumage comporte dans sa partie en relation avec la chambre de combustion, une tête sphérique percée de trous ou orifices ou passages, ces termes étant équivalents dans le contexte de l'invention. A l'intérieur de cette tête, on trouve l'allumeur sous forme d'une ou plusieurs électrodes permettant de créer une étincelle par application d'une tension entre celles ci .
Lors de la mise au point du système d'allumage, il a été testé plusieurs configurations de matériau pour la paroi de la préchambre, à savoir: Acier 35CD4 ; alliage Ni-Fe-Cr, alliage de cuivre dont laiton ou maillechorts ou avec nickel ou aluminium; alliage cuivre à conductivité élevée CuCr-iZr. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le dernier matériau . L'alliage CuCr-iZr est une nuance de l'alliage CRM 16x avec une composition nominale Cr > 0,4%, Zr de 0,022% à 0, 1 % et le reste du cuivre.
Comme on l'a indiqué, la préchambre peut être réalisée dans un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 10W/K/m et de préférence supérieure à 30W/K/m. On peut ainsi utiliser des matériaux dont la conductivité thermique peut aller jusqu'à 350W/K/m. L'utilisation d'un tel matériau, préférentiellement un alliage cuivreux, permet d'évacuer l'énergie au niveau de la paroi de préchambre et ainsi de pallier l'apparition de points chauds au niveau de la préchambre. Par exemple, pour le matériau qui a fait l'objet d'expériences poussées, l'alliage CuCrI Zr, la conductivité thermique à 20°C de 320W/K/m.
A titre d'exemple autre de matériaux utilisables à base de cuivre, on peut considérer une nuance de laiton : CUZn37 de conductivité : 1 13W/K/m.
Le tableau suivant présente différents laitons binaires, cupro-nickels, cupro-aluminium et maillechorts pouvant être utilisés comme matériau pour le corps de préchambre. Le niveau de conductibilité thermique ainsi que la tenue mécanique à température élevée (450-1000K) conditionne le choix du matériau.
Laitons: propriétés physiques
Et enfin les alliages:
Cupro-nickel : 21 W/(m • K) (Cu Ni 44 Mn) à 63 W/(m - K) (Cu Ni 5 Fe)
Cupro-aluminium : 75 à 84 W/(m • K) (Cu Al 5, Cu Al 6 ), 38 à 46 W/(m • K) (Cu Al 10 Fe 5 Ni 5 )
Ces données sont tirées de "Technique de l'ingénieur", Volume MB 5 - Etude et propriétés des métaux M437
Ce type de bougie à préchambre est préférentiellement utilisé avec un moteur présentant une perméabilité culasse optimisée au détriment de l'aérodynamique de la chambre de combustion. En effet, le mode de combustion résultant de l'utilisation de la bougie à préchambre permet une vitesse de combustion suffisante pour se passer d'une augmentation de la vitesse de combustion via l'aérodynamique de la chambre de combustion.
L'invention peut être mise en œuvre aussi bien sur un moteur classique suralimenté dans lequel on introduit un mélange combustible dans la chambre de combustion , c'est-à- dire que le mélange a été fait en amont de l'organe moteur, que sur un moteur à injection directe des composants carburants. Des essais moteurs d'évaluation du potentiel de bougies à préchambre ont été réalisés sur moteur fortement suralimenté, c'est-à-dire jusqu'à plus de 15bars. Ces essais ont permis de mettre en évidence une voie d'amélioration concernant l'enrichissement pleine charge (PME≈pression moyenne effective=13 bars) lors de l'utilisation de bougies à préchambre.
On a pu montrer lors d'expériences sur ce type de moteur suralimenté notamment les améliorations suivantes: une diminution de l'enrichissement pleine charge, une inhibition partielle ou totale phénomène de cliquetis avec un rapport volumétrique compris entre 8 et 14, une meilleure utilisation de l'air.
La Figure 1 représente donc, vu dans la préchambre 1 , la progression de la combustion 2 produite par une étincelle 3.
La Figure 2 représente donc, vu de la chambre de combustion 4, les différents orifices 5 de la paroi de la tête 6 de bougie permettant des communications entre la préchambre 1 et la chambre de combustion 4, encore dite chambre principale. Grâce à ces communications, d'une part, du mélange combustible passe de la chambre de combustion vers la préchambre et, d'autre part, après allumage dans la préchambre, le mélange combustible de la chambre de combustion pourra être amené à s'enflammer. La disposition des orifices permet une distribution sensiblement homogène du front de flamme et/ou des espèces instables qui permettent l'inflammation du mélange combustible de la chambre de combustion.
De préférence la bougie et sa tête sont un seul composant qui remplace une bougie traditionnelle ce qui ne nécessite pas de modification du passage de culasse pour la bougie. Le système d'allumage est ainsi constitué d'un dispositif venant en lieu et place de la bougie traditionnelle. On envisage également que le système générant l'étincelle soit modifié en fonction de la forme de la tête et, par exemple que l'électrode centrale s'avance davantage dans la tête et se rapproche de la paroi de celle-ci pour que l'arc électrique se forme entre l'électrode centrale et la paroi de la tête. On comprend bien que dans ce cas, la paroi doit comporter un matériau conducteur de l'électricité pour le retour à la masse du courant d'étincelle. On envisage également que la tête de bougie soit une pièce amovible, par exemple par vissage, et qu'on puisse la dévisser pour accéder à/aux électrodes de la bougie pour un éventuel réglage d'écartement ou inspection. Dans ce dernier cas, il pourra être souhaitable que la tête se prolonge latéralement vers l'arrière dans une zone de vissage sur la culasse afin qu'elle soit maintenue et ne risque pas de se dévisser et de tomber dans la chambre de combustion suite aux trépidations du moteur. On comprend bien que les exemples donnés sont purement indicatifs et que l'invention peut être déclinée selon diverses possibilités. On a ainsi vu qu'il était possible d'utiliser une tête avec des orifices des deux types, c'est-à- dire laissant et ne laissant pas passer le front de flamme. De même, les orientations des orifices peuvent être optimisées en fonction de la disposition relative des différents organes dans le moteur.
Ainsi, parmi les applications de l'invention on peut citer les moteurs à injection directe des composants carburants. En effet, en dehors de l'invention, les moteurs à injection directe sont généralement pénalisés en préparation du mélange par rapport aux moteurs à injection dans des conduits d'admission par des problèmes d'homogénéité du mélange dans la chambre de combustion. De même, les moteurs à injection directe présentent, dans certaines configurations d'arrangement de l'injecteur injecteur et de la bougie, des problèmes d'impact direct du carburant sur les électrodes de la bougie, d'où des problèmes de démarrage à froid et d'encrassement des électrodes de la bougie. Enfin, les moteurs à injection directe sont sensibles a l'impact du carburant relativement froid sur les parois du cylindre. Or, pour assurer une initiation correcte (allumage), il peut être nécessaire d'avoir un jet suffisamment large pour qu'il passe près de la bougie, ce qui implique un effet parois important. La mise en œuvre de l'invention, grâce à la tête du système d'allumage qui encapsule l'/les électrodes de la bougie, permet de limiter ces inconvénients. Les Figures 3, 4, 5, 6 représentent ainsi une mise en œuvre particulière de l'invention avec un organe moteur à injection directe vu en coupe axiale d'un piston 9 et passant par un injecteur 8 et une bougie 7. Les autres organes d'admission et d'échappement pour passages séquentiels des composants comburants (éventuellement carburant) et pour les produits de combustion, ne sont pas détaillés ici. Sur la Figure 3, la phase d'injection des composants carburants par l'injecteur 8 est en cours et une partie des carburants vient mouiller la tête 6 de la bougie 7 qui enveloppe la préchambre. Sur la Figure 4, le moteur étant chaud, les carburants sont vaporisés à la fois sur le piston 9 qui comporte un « bol de piston » et sur la tête 6 de la bougie 7. Sur la Figure 5, la phase de compression est entamée et du mélange combustible passe de la chambre de combustion 4 vers la préchambre 1 de la bougie 7. Sur la Figure 6, la phase de combustion est entamée à partir de la préchambre 1 dans laquelle une étincelle a été produite et par passage, à travers les orifices 5 de la tête 6, du front de flamme et/ou selon le type d'orifice, des espèces instables pour propagation vers la chambre de combustion 4.
Comme on l'a indiqué précédemment, la mise en œuvre de l'invention permet une diminution du cliquetis, ceci étant notamment perceptible dans le cas du fonctionnement du moteur à forte charge. Pour fixer un ordre de grandeur, on entend par fonctionnement à faible charge du moteur la plage de fonctionnement du moteur allant du ralenti jusqu'au quart de la pleine charge du moteur, de préférence la plage allant du ralenti à 10% de la pleine charge dans le cas d'un moteur atmosphérique et la plage allant du ralenti à 5% de la pleine charge dans le cas d'un moteur fortement suralimenté.
Dans une alternative de réalisation de la tête du système d'allumage, on met en œuvre des orifices dans la paroi de la tête qui ont un effet différentiel de passage ou non du front de flamme en fonction de la charge du moteur. Cet effet peut être obtenu par exemple par au moins un orifice permettant la propagation d'un front de flamme à faible charge et au moins un orifice ne permettant pas la propagation d'un front de flamme sous toutes conditions de charge ou, alors, par seulement au moins un orifice permettant la propagation d'un front de flamme à faible charge. Dans le cas d'un fonctionnement à faible charge du moteur, le front de flamme peut passer de la préchambre vers la chambre de combustion principale au moyen du/des passages permettant la propagation d'un front de flamme et on provoque ainsi l'inflammation du mélange combustible principal au moyen d'un front de flamme. Dans le cas d'un fonctionnement à forte charge du moteur, la structure des orifices qui laissaient passer le front de flamme à faible charge est telle que, à forte charge, le front de flamme ne passe plus, lesdits orifices provoquant une extinction du front de flamme et ce sont alors les composés instables issus de la combustion du mélange combustible de la préchambre qui conduisent à une auto-inflammation en masse du mélange combustible principal ensemencé des composés instables dans la chambre principale.
On peut expliquer ce phénomène de la façon suivante. De par la faible quantité de mélange air/carburant dans la préchambre dans les cas faiblement chargés, la montée en pression dans la préchambre à l'allumage est nettement moins violente que dans les cas fortement chargés et le front de flamme obtenu par la combustion du mélange dans la préchambre peut, grâce au passage de grand diamètre se propager dans la chambre de combustion principale. Cette continuité de propagation du front de flamme entre préchambre et chambre de combustion principale entraîne une stabilité à faible charge similaire au cas conventionnel des moteurs à allumage commandé. Dans le cas de fortes charges, la quantité de mélange carburé dans la préchambre est de 3 à 7 fois supérieure au cas faiblement chargé. En conséquence, lors de la combustion du mélange dans la préchambre, la montée en pression est nettement plus importante. Le différentiel de pression entre la préchambre et la chambre principale empêche la propagation du front de flamme de la préchambre à la chambre principale. Néanmoins, les passages laissent passer le flux de composés instables de la préchambre à la chambre principale et, lors de la remontée du piston, la compression produit une autoinflammation en masse du mélange principal.
On comprend que l'on peut également utiliser des orifices laissant ou ne laissant pas passer le front de flamme que ce soit sous toutes conditions de charge ou non pour obtenir des effets différentiels cette fois en volume, certains types d'orifices étant disposés sur la tête préférentiellement pour avoir des effets déclenchement de combustion dans une zone plus particulière de la chambre de combustion. Ces effets différentiels en fonction de la charge et du volume peuvent être combinés par une disposition particulière d'orifices de structures différentes sur la tête.
Dans une autre alternative de réalisation de la tête du système d'allumage, éventuellement combinée à la précédente, les faces internes et/ou externes de la paroi de la tête de la préchambre ainsi que, éventuellement, les parois des orifices, sont revêtues d'un revêtement réfractaire, tels que, par exemple, des revêtements en AI2O3, ZrY (non forcément stœchiométrique) et TiB2. L'épaisseur de ces revêtements est généralement comprise entre 5 et 100 μm, de préférence 1 à 50 μm. On augmente ainsi l'efficacité de combustion dans la préchambre et améliore le fonctionnement à faible charge, en particulier dans le cas de moteurs fortement suralimentés.
Comme on l'a indiqué, différentes configurations de bougies à préchambre peuvent être utilisées. On donne à la Figure 7 un exemple particulier de bougie à préchambre qui comporte un corps en prolongement de la tête. La bougie 7 est montée vissée dans un taraudage 10a de la culasse 10 fermant un cylindre d'un moteur à combustion interne dont on n'a représenté qu'une partie. La bougie 7 comporte un corps 12 de préchambre 1 de forme générale tubulaire et comprenant une tête 12a de forme générale convexe, de préférence ayant la forme d'une calotte sphérique. La tête 12a du corps 12 de préchambre 1 constitue une paroi de séparation entre la chambre de combustion 4 et la préchambre 1 . La préchambre 1 comporte l'allumeur comprenant une électrode centrale 13 et une électrode de masse 14. La tête 12a constituant la paroi de séparation entre la chambre de combustion 4 et la préchambre 1 est pourvue de différents orifices de passages 5, représentés de façon plus détaillée sur la figure 8.
Dans cet exemple, les orifices 5, de forme générale cylindrique, comprennent un passage 5a, ayant un grand diamètre, c'est-à-dire un diamètre supérieur à 1 mm, généralement compris entre plus de 1 mm et 3 mm et une série d'orifices 5b à 5i (7 dans la réalisation de la figure 8) ayant un petit diamètre, c'est-à-dire inférieur ou égal à 1 mm. Généralement, la longueur des passages est inférieure à 1 mm et ils sont ici orientés selon des rayons de la tête hémisphérique 12a. On a également vu que l'orientation et/ou la structure des orifices peut être adaptée à la configuration particulière des éléments du moteur.
Bien qu'on ait représenté un seul orifice 5a de diamètre supérieur à 1 mm (réalisation préférée), la tête 12a peut comporter plusieurs orifices de grand diamètre. Toutefois dans certaines applications, comme on l'a vu avec les effets différentiels des orifices sur le front de flamme en fonction de la charge, le nombre et la dimension des orifices doivent être tels qu'aucun front de flamme ne puisse se propager de la préchambre à la chambre de combustion lorsque le moteur fonctionne à forte charge.
On comprend bien que les exemples donnés sont purement indicatifs et qu'il est possible de mettre en oeuvre l'invention selon diverses modalités sans sortir de son cadre général.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Moteur à combustion interne avec au moins un organe moteur, l'organe moteur comportant :
- une chambre de combustion (4) d'un mélange combustible à type de composants carburants et comburants munie d'un système de compression (9),
- un système d'allumage (7) du mélange combustible par un allumeur,
- des dispositifs de passage séquentiels pour les composants carburants et comburants et pour les produits de combustion, le moteur étant du type à suralimentation par surpression des composants comburants en amont de l'organe moteur, caractérisé en ce que le carburant est exclusivement liquide, notamment de l'essence, et le système d'allumage comporte une tête (6)(12a) fermée sensiblement sphérique avec une paroi enfermant l'allumeur dans une préchambre (1 ), la tête comportant un ensemble d'orifices (5) destinés à faire communiquer la chambre de combustion et la préchambre afin que du mélange combustible puisse passer dans la préchambre.
2. Moteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins un des orifices (5a) à des dimensions de passage permettant le passage d'un front de flamme de la préchambre (1 ) vers la chambre de combustion.
3. Moteur la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un des orifices (5b) à des dimensions de passage ne permettant pas le passage d'un front de flamme de la préchambre (1 ) vers la chambre de combustion (4) tout en permettant le passage d'espèces , instables résultant de la combustion dans la préchambre afin de permettre une autoinflammation du mélange combustible de la chambre de combustion.
4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble des orifices ont des dimensions de passage ne permettant pas le passage du front de flamme de la préchambre vers la chambre de combustion tout en permettant le passage d'espèces instables.
5. Moteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque orifice qui ne laisse pas passer le front de flamme a un diamètre inférieur à 1 mm.
6. Moteur selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que chaque orifice a une longueur inférieure à son diamètre.
7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de séparation entre la préchambre (1 ) et la chambre de combustion (4) de la tête (12a) est réalisée dans un matériau à conductivité thermique supérieure à 10W/K/m.
8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de séparation entre la préchambre (1 ) et la chambre de combustion (4) de la tête (12a) est réalisée en alliage cuivre à conductivité élevée (CuCM Zr).
9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices de la préchambre de la tête sont au nombre minimum de trois.
10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est à injection directe des composants carburants dans la chambre de combustion.
1 1 . Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le système de compression est un piston (9) dans une chambre de combustion (4) cylindrique à axe central, au moins un des dispositifs de passage étant un injecteur (8) direct dans la chambre de combustion pour tout ou partie des composants carburants et/ou comburants, l'injecteur étant disposé sensiblement axialement à l'opposé du piston et le système d'allumage (7) latéralement par rapport à l'injecteur, et en ce que les orifices sont majoritairement disposés vers l'axe afin d'assurer une homogénéité de la combustion du mélange combustible sensiblement dans l'ensemble de la chambre de combustion.
12. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le système de compression est un piston (9) dans une chambre de combustion (4) cylindrique à axe central, au moins un des dispositifs de passage étant un injecteur (8) direct dans la chambre de combustion pour tout ou partie des composants carburants et/ou comburants, le système d'allumage (7) étant disposé sensiblement axialement à l'opposé du piston et l'injecteur latéralement par rapport au système d'allumage, et en ce que les orifices sont répartis régulièrement sur la surface de la tête afin d'assurer une homogénéité de la combustion du mélange combustible sensiblement dans l'ensemble de la chambre de combustion.
13. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le système de compression est un piston dans une chambre de combustion (4) cylindrique à axe central, au moins un des dispositifs de passage étant un injecteur (8) direct dans la chambre de combustion pour tout ou partie des composants carburants et/ou comburants, l'injecteur et le système d'allumage (7) étant disposés latéralement par rapport audit axe, et en ce que les orifices sont majoritairement disposés vers l'axe afin d'assurer une homogénéité de la combustion du mélange combustible sensiblement dans l'ensemble de la chambre de combustion.
14. Moteur selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la tête (6) est disposée sur une partie du trajet des composants carburants injectés afin que ladite tête puisse être mouillée par lesdits composants carburants lors de leur injection directe.
15. Moteur selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la richesse du mélange est supérieure ou égale à un dans au moins un mode de fonctionnement du moteur.
16. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'allumage et sa tête sont un seul composant qui remplace une bougie traditionnelle et qui ne nécessite pas de modification du passage de culasse pour la bougie.
17. Procédé d'allumage d'un moteur à combustion interne ayant au moins un organe moteur, l'organe moteur comportant:
- une chambre de combustion (4) d'un mélange combustible à type de composants carburants et comburants munie d'un système de compression (9),
- un système d'allumage (7) du mélange combustible par un allumeur,
- des dispositifs de passage séquentiels pour les composants carburants et comburants et pour les produits de combustion, le moteur étant du type à suralimentation par surpression des composants comburants en amont de l'organe moteur, caractérisé en ce que
- on met en œuvre un système d'allumage comportant une tête (6), (12a) fermée sensiblement sphérique avec une paroi enfermant l'allumeur dans une préchambre (1 ), la tête comportant un ensemble d'orifices (5) destinés à faire communiquer la chambre de combustion et la préchambre afin que du mélange combustible puisse passer dans la préchambre,
- on introduit dans la chambre de combustion les composants carburants et les composants comburants qui forment le mélange combustible dans la chambre de combustion, le carburant étant exclusivement liquide, notamment de l'essence,
- on provoque une inflammation du mélange combustible dans la préchambre par l'allumeur, les orifices de la préchambre permettant l'inflammation du mélange combustible de la chambre de combustion.
18. Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce qu'on laisse passer par les orifices (5b) des espèces instables résultant de la combustion dans la préchambre afin de permettre une auto-inflammation du mélange combustible de la chambre de combustion sans toutefois laisser passer le front de flamme de la préchambre vers la chambre de combustion.
19. Application du procédé selon la revendication 17 au moteur de l'une quelconque des revendications 1 à 16.
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