EP2307702B1

EP2307702B1 - Pilotage de l'alimentation electrique d'une bougie d'allumage d'un moteur a combustion interne

Info

Publication number: EP2307702B1
Application number: EP09757711.8A
Authority: EP
Inventors: Maxime Makarov; Frederic Auzas
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2029-05-05
Also published as: CN102105677A; FR2932229A1; JP2011522165A; FR2932229B1; KR20110027753A; US20110139135A1; US8925532B2; RU2497019C2; JP5276714B2; RU2010154154A; CN102105677B; MX2010013200A; WO2009147335A3; EP2307702A2; WO2009147335A2

Description

Est ici concerné un procédé d'alimentation électrique d'une bougie d'allumage jusqu'à une tension électrique assurant la génération d'une étincelle ramifiée d'allumage en particulier d'un moteur à combustion interne.
Est également concerné un dispositif d'alimentation d'une telle bougie, ce dispositif comprenant des moyens d'alimentation en énergie électrique de la bougie jusqu'à une tension assurant la génération d'une étincelle ramifiée d'allumage.
Il est connu que, pour mieux contrôler l'allumage du mélange inflammable dans un moteur à combustion interne, il est préférable d'utiliser une étincelle électrique d'une taille importante. En effet, plus la taille de l'étincelle est grande, plus la probabilité de rencontre entre l'arc électrique chaud et le nuage de carburant est élevée et plus l'inflammation est efficace. Or, pour une bougie d'allumage conventionnelle, la taille de l'étincelle (de l'ordre d'un mm cube) est limitée par la distance entre deux électrodes de la bougie.
Pour augmenter la taille de l'étincelle d'une bougie d'allumage, il a déjà été proposé :

dans US-A-5623179 d'augmenter la distance entre les électrodes de la bougie ; toutefois une telle réalisation nécessite une tension d'alimentation notablement élevée,
qui est directement proportionnelle à la distance entre les électrodes,
dans DE 10 2004 039 259 A1 de créer un plasma en augmentant l'alimentation d'une bougie en plusieurs étapes,
dans EP-A-1202411 ou EP-A-1526618 , d'utiliser l'arc électrique qui glisse sur l'isolant de la bougie, ce qui permet d'allonger l'étincelle sans trop augmenter la tension électrique ; en revanche, dans une telle réalisation, l'allongement de l'étincelle reste relativement faible et la surface isolante touchée par l'arc chaud se dégrade vite ;
dans FR-A-28867763 , FR-A-2895169 ou FR-A-2878086 , de former une étincelle radiofréquence multi-filamentaire se développant à partir d'une seule électrode pointue ; cela permet d'augmenter notablement la longueur de l'étincelle, mais dans le mode connu de cette réalisation, le nombre de filaments formés simultanément est limité (2-3 au maximum).

La présente invention vise à éviter les limitations de performance des solutions de l'art antérieur.
Un autre but est d'augmenter notablement le degré de ramification de l'étincelle radiofréquence (c'est-à-dire le nombre total des filaments simultanément générés) et ainsi accroitre cette étincelle et donc son efficacité d'allumage du mélange venant dans son environnement.
Une solution proposée pour au moins tendre vers ce(s) but(s) est que l'alimentation électrique de la bougie (en particulier radiofréquence) comprenne une étape d'augmentation par paliers (avec donc au moins un tel palier), jusqu'à la tension d'allumage adaptée, de la tension d'alimentation de cette bougie.
En termes de dispositif, il est par ailleurs proposé que les moyens d'alimentation en énergie électrique de la bougie soient adaptés pour générer une première tension d'amorçage de l'étincelle et pour, ensuite, augmenter cette première tension électrique par palier(s) jusqu'à ladite tension adaptée d'allumage.
Une description plus détaillée de l'invention suit, en référence aux dessins d'accompagnement fournis à titre non limitatif et où :

la figure 1 schématise une bougie radiofréquence montée sur un moteur à combustion interne,
la figure 2 schématise une évolution typique temps/tension, sur les bougies RF pilotées de façon traditionnelle,
les figures 3,4 schématisent un exemple d'évolution temps/tension conforme à l'invention, sur une bougie RF pilotée de façon différente,
et la figure 5 schématise une étincelle ramifiée pouvant être obtenue avec le pilotage selon les fig.3,4 ; à comparer à l'étincelle de la fig.1..

Figure 1, on voit une bougie résonante radiofréquence (RF) 1 montée sur la culasse 3 d'un moteur à combustion interne 5. La pointe la de la bougie débouche dans la chambre de combustion 7 du moteur où est injecté le mélange à enflammer.
Cette bougie à plasma RF 1 est excitée par une alimentation RF basse tension 9 pilotée par un calculateur 11 embarqué sur le véhicule pourvu du dit moteur. Chaque étincelle multi-filamentaire 13 est ainsi formée à partir de la pointe unique la de la bougie.
Le mode général connu de fonctionnement d'une telle bougie est décrit par exemple dans FR-A-2878086 , FR-A-2886776 ou FR-A-2888421 .
Comme schématisé figure 2 qui illustre donc l'art antérieur, on distingue typiquement deux phases principales d'alimentation électrique de la bougie RF 1,:
Pendant la phase initiale 15a, qui débute à l'instant t_0 à la mise sous tension, la tension électrique U appliquée à la bougie augmente continument de telle sorte que les fins canaux électriques 13 se forment à partir de la pointe la de la bougie.
Une fois formée, une telle structure multi-filamentaire est, pendant la phase suivante 15b (entre t_1 et t_2 fig.1), chauffée jusqu'à quelques milliers de °C par le courant électrique fourni par l'alimentation RF pilotée 9. La tension électrique (sensiblement Um) appliquée à la bougie demeure (à peu près) constante pendant toute cette seconde phase.
A la fin de cette phase d'échauffement (partie 15b1 jusqu'à t_2), les filaments chauds provoquent l'inflammation du mélange dans le cylindre du moteur à combustion interne auquel la chambre de combustion 7 est associée.
Ensuite, pendant la phase finale 15c de ce cycle d'inflammation du mélange par la bougie (entre t_2 et t_3 fig.1), la tension électrique appliquée à cette bougie diminue à nouveau continument, jusqu'à s'annuler.
La longueur L (de l'ordre d'un cm ; fig.1) des filaments 13 formés à la fin de la phase 15b1 ne dépend que de l'amplitude maximale de la tension U appliquée à la pointe la.
Dès lors que pendant la phase d'échauffement 15b/15b1 l'amplitude de la tension RF Um, correspondant à la tension électrique maximale (ou tension adaptée d'allumage) appliquée à la pointe de la bougie, est maintenue stable (constante), la longueur des filaments 13 ainsi que leur nombre ne changent plus ou quasiment plus.
Les inventeurs ont remarqué que dans ce mode connu du fonctionnement, le degré de ramification (c'est-à-dire le nombre de points de bifurcations, telles celles repérées 13a,13b figure.1) de l'étincelle RF 13 reste relativement faible : les filaments formés pendant la phase de formation sont plutôt droits avec peu de points de bifurcation (2-3 au maximum, typiquement) ce qui limite la taille de l'étincelle.
Afin d'augmenter le degré de ramification de l'étincelle multi-filamentaire, les inventeurs proposent de modifier le mode d'alimentation électrique de la bougie RF 1, comme illustré en particulier figure 3.
Ainsi, au lieu (comme fig.2) d'appliquer à la pointe de l'électrode la de la bougie une tension telle qu'à un instant t_1 (fin de la phase initiale 15a) immédiatement consécutif à t_0, la tension maximale Um (tension adaptée d'allumage de la combustion) y est présente après une augmentation continue de cette tension dès le début de l'alimentation (instant, t_0), une étape d'augmentation par palier(s), jusqu'à ladite tension maximum Um, de la tension électrique d'alimentation de la bougie va être appliquée.
Figure 3, on voit ainsi une telle élévation de tension en plusieurs paliers, ici deux : 17.1 et 17.2.
On constate par conséquent qu'avec la solution de l'invention et dans l'exemple de mise en oeuvre montré figure 3, on ne va dans un premier temps, entre t_0 et t_10, augmenter la tension électrique que jusqu'à une valeur U1 juste nécessaire à la formation des filaments 130 de 1ère génération, à savoir ceux marqués comme "a" notamment figure 5, qui sont tous originaires de la pointe la de l'électrode de la bougie.
A l'instant t_10, c'est-à-dire typiquement quelques µs après le début d'excitation à t_0 (de 5 à 10 µs dans le mode de réalisation proposé), l'alimentation RF stabilise l'amplitude de la tension appliquée et la maintient sensiblement à U1 pendant quelques µs (de 2 à 5 µs dans le mode de réalisation proposé) jusqu'au moment t_20.
C'est la 1ère phase d'échauffement correspondant au palier 17.1.
Favorablement, la valeur U1 de la tension électrique à ce premier palier de tension 17.1 sera juste nécessaire à la formation, à l'extrémité libre 1a de l'électrode, de filaments électriques issus de cette extrémité.
Pendant cette période de temps, la température des filaments primaires 130 "a" atteint 1000-5000°C, le gaz à l'intérieur des canaux devient fortement ionisé, sa résistivité électrique chute de l'infini à quelques kOhm seulement. En résultat, la tension de la bougie se trouve appliquée aux extrémités des filaments "a" devenus conducteurs (points pleins figure 5).
Entre les moments t_20 et t_30, l'alimentation RF augmente à nouveau (continument) l'amplitude de la tension de la bougie, jusqu'à la tension intermédiaire U2 (avec bien sûr U2 supérieure à U1).
De préférence, la différence de tensions entre la tension nulle et. celle U1 du premier palier de tension sera supérieure à la différence de tensions électriques entre la tension électrique U1 du premier palier de tension et ladite tension adaptée d'allumage Um, comme schématisé fig.3,4.
Du fait que le diamètre des filaments ionisés 130 (typiquement de l'ordre de 50-100 µm) est sensiblement plus faible que celui de la pointe (typiquement de l'ordre de 500 µm), il suffit d'une petite augmentation de la tension électrique U appliquée pour que le champ électrique local aux extrémités des filaments 130 "a" (inversement proportionnel au carré de leur diamètre) soit suffisamment élevé pour provoquer la formation des filaments de 2e génération. Cette fois-ci, les nouveaux filaments, marqués 130 "b" toujours figure 3, sont originaires des extrémités des filaments "a" et non plus de la pointe la de la bougie.
Pendant la période de temps entre t_30 et t_40 on chauffe les filaments "b". La tension est à nouveau stabilisée, ici à U2, ce qui correspond au second palier 17.2. Le potentiel de la pointe se trouve alors aux extrémités de ces derniers (points ouverts figure 5).
Une nouvelle fois entre les instants t_40 et t_50, l'alimentation RF augmente encore la tension de la bougie 1a, provoquant la naissance de la 3e génération des filaments 130 "c" à partir des extrémités des filaments de la génération précédente.
On pourrait poursuivre encore le processus. Figures 3,4,5, on a considéré qu'il s'interrompait là, dès lors qu'on a supposé que la tension adaptée d'allumage Um était atteinte à l'instant t_50.
Ainsi, conformément à une caractéristique intéressante de l'invention pour atteindre les buts visés, entre l'instant initial t_0 de début d'alimentation électrique de la bougie et l'application stabilisée de la tension maximale à t_50, on a réalisé au moins un palier de tension électrique stabilisée d'une durée comprise entre 1 et 10 µs.
Une fois formée avec ses ramifications de générations successives des filaments 130 a,b,c (phase initiale 150a de montée en tension par paliers), une telle structure multi-filamentaire est, pendant la phase suivante 150b, chauffée (comme précédemment) jusqu'à quelques milliers de °C par le courant électrique fourni par l'alimentation RF pilotée 9. La tension électrique (Um) appliquée à la bougie demeure (sensiblement) constante pendant toute cette seconde phase, comme montré fig.3.
A nouveau comme dans le mode de fonctionnement traditionnel, à la fin de cette phase d'échauffement (partie 150b1 jusqu'à l'instant t_60), les filaments chauds provoquent l'inflammation du mélange dans le cylindre du moteur à combustion interne auquel la chambre de combustion 7 est associée.
Et, pendant la phase finale 150c de ce cycle d'inflammation du mélange par la bougie, la tension électrique appliquée à cette bougie diminue à nouveau continument, jusqu'à s'annuler (instant t_70).
De préférence, on appliquera une durée de paliers de tension entre deux augmentations de tension (tels t_10 - t_20 et t_30 - t_40) supérieure à l'intervalle de temps entre deux paliers successifs d'augmentation de ladite tension (tels t_20 - t_30).
Le cycle « formation des filaments → leur échauffement → augmentation de la tension → formation... → échauffement... → augmentation...» peut être répété autant de fois que nécessaire. A chaque nouvelle augmentation de la tension, les nouveaux points de bifurcation apparaissent.
Ainsi, les moyens d'alimentation en énergie électrique 9,11 auront été adaptés par rapport à la situation antérieure de la fig.2 pour, au fur et à mesure des paliers 17.1... au-delà de la première tension U1 d'amorçage de l'étincelle, générer la création de nouvelles ramifications 130b...à l'extrémité (rond (s) plein(s)) de l'étincelle électrique créée au premier palier.
Finalement, l'étincelle 130 globalement ainsi formée est caractérisée par un degré de ramification beaucoup plus élevé que dans le cas de l'excitation conventionnelle schématisé fig.2. On peut estimer le nombre total de filaments à $N_{total} \approx \sum_{k = 1}^{n} N_{0}^{k},$
où N0 est le nombre de filaments d'une génération et n le nombre de cycles. Ainsi, dans le cas illustré sur la fig.5 avec N0 ≈ 3 et n = 3 on trouve Ntotal ≈ 39 soit de ∼10 fois plus que dans le cas d'excitation RF conventionnelle. Même si la longueur moyenne des filaments de chaque nouvelle génération est de plus en plus petite, la longueur globale totale de l'étincelle à la fin de son alimentation est beaucoup plus importante que dans le cas de l'alimentation conventionnelle (voir figs.1 et 5). Cela accroît la probabilité de rencontre entre l'arc chaud et le mélange carburant/air et ainsi rend l'allumage plus efficace.
Bien entendu, on aura noté figures 2 à 4 que les tensions électriques en cause (Um, U1...) sont alternatives, la courbe sinusoïdale d'évolution de la tension U schématisée à gauche, avec ses premières alternances, étant claire à cet égard.

Claims

Procédé d'alimentation électrique d'une bougie (1) d'allumage d'un moteur à combustion jusqu'à une tension électrique adaptée à assurer la génération d'une étincelle (130) ramifiée d'allumage, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'augmentation par paliers (17.1,17.2), depuis une première tension d'amorçage (U1) de l'étincelle (130) jusqu'à ladite tension adaptée (Um), de la tension électrique d'alimentation (9) de la bougie (1).
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre l'instant initial de début d'alimentation électrique de la bougie (1) et l'application stabilisée de ladite tension adaptée (Um), on réalise au moins un palier (17.1,17.2) de tension électrique stabilisée d'une durée comprise entre 1 et 10 µs.
Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on crée le premier palier de tension à une valeur de tension électrique juste nécessaire à la formation, à l'extrémité libre (1a) de l'électrode, de filaments électriques issus de cette extrémité.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence de tensions entre la tension nulle et celle du premier palier (17.1) de tension est supérieure à la différence de tensions électriques entre la tension électrique du premier palier (17.1) de tension et ladite tension adaptée (Um).
Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on applique une durée de paliers de tension (U) entre deux augmentations de tension supérieure à l'intervalle de temps entre deux paliers successifs d'augmentation de ladite tension.
Dispositif d'alimentation d'une bougie (1) d'allumage, ce dispositif comprenant des moyens (9) d'alimentation en énergie électrique de la bougie (1) jusqu'à une tension adaptée d'allumage (Um) de génération d'une étincelle (130) ramifiée, caractérisé en ce que lesdits moyens (9) d'alimentation en énergie électrique sont adaptés pour générer une première tension d'amorçage de l'étincelle (130) et pour, ensuite, augmenter cette première tension électrique par palier(s) (17.1,17.2) jusqu'à ladite tension adaptée.
Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens (9) d'alimentation en énergie électrique sont adaptés pour, au fur et à mesure des paliers au-delà de la première tension d'amorçage de l'étincelle (130), générer la création de nouvelles ramifications à l'extrémité de ladite étincelle électrique créée au premier palier (17.1).
Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif selon la revendication 6 ou 7.