EP3560049B1

EP3560049B1 - Bougie d'allumage a electrode-navette

Info

Publication number: EP3560049B1
Application number: EP17825896.8A
Authority: EP
Inventors: Vianney Rabhi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: ES2858457T3; KR20190091332A; CA3046393A1; JP7132923B2; FR3060222A1; CN110168825A; AU2017371533B2; JP2020501323A; AU2017371533A1; KR102588000B1; WO2018104681A1; EP3560049A1; FR3060222B1; CN110168825B

Description

La présente invention a pour objet une bougie d'allumage à électrode-navette qui permet d'allumer une charge principale introduite dans la chambre de combustion d'un moteur thermique à combustion interne soit au moyen d'une étincelle seule, soit au moyen d'une charge pilote connue en soi et mise à feu par une étincelle, ladite bougie étant conçue pour optimiser l'efficacité de ladite charge pilote à allumer ladite charge principale.
Le rendement maximal et moyen des moteurs thermiques à combustion interne alternatifs selon l'état de l'art est relativement faible. En automobile, ledit rendement maximal est de l'ordre de trente-cinq pour cent s'agissant des moteurs à allumage commandé à cycle d'Otto, et de l'ordre de quarante pour cent dans le cas des moteurs à cycle de Diesel. En ce qui concerne le rendement moyen en usage courant des moteurs automobiles, il est le plus souvent inférieur à vingt pour cents pour les moteurs à allumage commandé, et à vingt cinq pour cent pour les moteurs Diesel.
Dans lesdits moteurs, la fraction de l'énergie libérée par la combustion du carburant et qui n'est pas transformée en travail utile est principalement dissipée sous forme de chaleur dans le système de refroidissement et à l'échappement desdits moteurs.
Outre un rendement médiocre, les moteurs thermiques à combustion interne alternatifs utilisés en automobile produisent des gaz polluants et des particules nuisibles à l'environnement et à la santé.
Malgré ces caractéristiques peu avantageuses, faute d'autres solutions offrant un meilleur compromis énergétique, environnemental, fonctionnel, et économique, les moteurs thermiques à combustion interne à cycle d'Otto ou de Diesel équipent la quasi-totalité des véhicules automobiles en circulation dans le monde.
Cette situation explique les efforts significatifs de recherche et développement consentis par les motoristes pour améliorer par tous moyens le bilan énergétique et environnemental des moteurs thermiques à combustion interne. Lesdits efforts visent notamment à perfectionner les technologies qui constituent lesdits moteurs, et à ajouter à ces derniers des fonctionnalités nouvelles qui permettent la mise en oeuvre de stratégies nouvelles.
Parmi ces stratégies figure la dilution de la charge en air et carburant des moteurs thermiques à combustion interne alternatifs soit avec un gaz neutre, soit avec de l'air frais riche en oxygène.
C'est à ladite dilution que s'adresse la présente invention qui est particulièrement destinée aux moteurs thermiques à combustion interne alternatifs à allumage commandé qui consomment le plus souvent soit de l'essence, soit du gaz naturel.
Diluer la charge des moteurs à allumage commandé avec de l'air frais ou avec des gaz d'échappement préalablement refroidis permet d'augmenter le rendement thermodynamique moyen et/ou maximal desdits moteurs. Il en résulte une consommation de carburant réduite à même travail produit.
Lorsque les moteurs à allumage commandé opèrent à couple partiel, introduire une charge diluée dans leur(s) cylindre(s) produit moins de pertes par pompage qu'introduire une charge non-diluée. La réduction desdites pertes provient du fait que la charge diluée est plus volumineuse à même contenu énergétique. Ainsi, pour introduire la même quantité d'énergie dans ledit ou lesdits cylindre(s), le vannage à l'admission desdits moteurs ordinairement réalisé au moyen d'un papillon est moins prononcé, et la pression des gaz qui se présentent à ladite admission est plus élevée.
En outre, à même énergie introduite dans le ou les cylindre(s) des moteurs à allumage commandé, diluer la charge augmente la masse et la capacité calorifique totale de cette dernière. Ainsi, toutes choses étant égales par ailleurs, la combustion de ladite charge s'opère à plus basse température. Outre réduire la quantité d'oxydes d'azotes produite par la combustion, ladite basse température réduit les pertes thermiques aux parois du ou des cylindre(s) qui résultent de la cession par ladite charge d'une partie de sa chaleur aux dites parois.
Enfin, particulièrement si la charge est diluée avec un gaz neutre pauvre en oxygène voire dénué d'oxygène, ladite charge est moins sensible à l'auto-inflammation incontrôlée du mélange air-carburant. Ladite auto-inflammation est responsable du cliquetis, phénomène indésirable caractérisé par une combustion détonante qui détériore le rendement des moteurs à allumage commandé et qui endommage les composants mécaniques qui les constituent. La désensibilisation au cliquetis que procure la dilution de la charge permet aux dits moteurs soit d'opérer à taux de compression plus élevé, soit d'opérer avec un allumage qui est déclenché au moment le plus propice possible au rendement, soit les deux.
Dans ce contexte particulier des charges en air et carburant diluées, on distingue les moteurs à allumage commandé opérant à la stœchiométrie desdits moteurs opérant en excès d'air dits aussi « à mélange pauvre ».
Les moteurs opérant à la stœchiométrie sont seuls compatibles avec un catalyseur trois-voies, appareil connu en soi qui post-traite les polluants issus de la combustion. Ledit catalyseur se charge de brûler les hydrocarbures qui n'ont pas été brûlés dans la chambre de combustion du moteur thermique. Les produits de cette combustion sont de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone déjà présents dans l'atmosphère. Ledit catalyseur trois-voies finalise aussi l'oxydation du monoxyde de carbone notoirement polluant pour le transformer également en dioxyde de carbone, et réduit les oxydes d'azote pour les transformer en diazote atmosphérique qui constitue environ soixante dix-huit pour cent de l'atmosphère terrestre, et qui est par nature non-polluant.
La réduction des oxydes d'azote par la catalyse trois-voies nécessite que la charge introduite dans le moteur soit stœchiométrique, c'est à dire qu'elle contienne la juste quantité d'oxygène nécessaire à la combustion des hydrocarbures contenus dans ladite charge.
Un excès d'oxygène rend impossible la réduction des oxydes d'azote par le catalyseur trois-voies. Il n'est donc pas possible de post-traiter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement des moteurs opérant en excès d'air au moyen d'un catalyseur trois-voies.
Ceci explique pourquoi - pour répondre aux réglementations environnementales toujours plus contraignantes - les moteurs opérant en excès d'air reçoivent désormais un appareil spécialement prévu pour réduire les oxydes d'azote tel qu'un piège à oxydes d'azote ou un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote à l'urée. Ledit appareil est généralement placé en sortie d'un catalyseur d'oxydation à deux voies qui aura préalablement brûlé les hydrocarbures imbrûlés et qui aura parachevé l'oxydation du monoxyde de carbone, et de plus en plus souvent, d'un filtre à particules.
Les moteurs Diesel opérant naturellement en excès d'air, depuis l'entrée en vigueur de la norme Euro VI en Europe, la quasi totalité des automobiles Diesel européennes sont équipées d'un appareil qui post-traite les oxydes d'azote pour les transformer en diazote.
Le problème de ces appareils est qu'ils sont chers, complexes, et que leur encombrement et leurs contraintes de maintenance sont élevés au point que lesdits appareils ne sont quasiment utilisés que sur les moteurs Diesel qui ne peuvent en pratique fonctionner qu'en excès d'air.
S'agissant des moteurs à allumage commandé, les motoristes s'efforcent par tous moyens de les faire fonctionner à la stœchiométrie pour qu'ils restent compatibles avec un catalyseur trois-voies au demeurant simple et bon marché.
Pour bénéficier de la réduction de la consommation de carburant induite par la dilution de la charge des moteurs à allumage commandé sans avoir à subir les inconvénients notamment économiques d'un piège à oxydes d'azote ou d'un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote à l'urée, il est donc nécessaire de diluer ladite charge desdits moteurs non pas avec de l'air riche en oxygène, mais avec un gaz neutre dénué d'oxygène.
Ce dernier gaz est usuellement fourni par le recyclage des gaz d'échappement du moteur lui-même, lesdits gaz ne contenant plus d'oxygène et étant disponibles et abondants. Cette stratégie est connue sous l'appellation de « recirculation des gaz d'échappement » et plus précisément sous l'acronyme anglo-saxon «EGR» valant pour « Exhaust Gas Recirculation».
Lesdits gaz sortant à haute température à l'échappement du moteur à allumage commandé, pour éviter qu'ils ne réchauffent exagérément la charge introduite dans ledit moteur, il est nécessaire d'en réduire la température avant de les mélanger avec les gaz frais.
Cette stratégie est connue sous l'appellation anglo-saxonne de « Cooled EGR », laquelle précise que les gaz d'échappement recirculés sont refroidis préalablement à leur mélange avec les gaz frais admis par ledit moteur. Les motoristes francophones utilisent finalement le terme « franglais » de « EGR refroidi », aisément compréhensible et facile à utiliser.
Le refroidissement préalable des gaz d'EGR est nécessaire à deux titres au moins.
Premièrement, il faut que la température du mélange gaz-EGR/gaz-frais admis par le moteur à allumage commandé reste basse pour que le rendement volumétrique dudit moteur reste élevé lorsqu'il opère à plein couple. En effet, pour une pression d'admission donnée, la masse de dit mélange introduite dans le ou les cylindre(s) dudit moteur est d'autant plus importante que ledit mélange est froid. Le refroidissement préalable des gaz d'EGR est rendu encore plus indispensable si ledit moteur est suralimenté par un turbocompresseur ou par tout autre moyen.
Deuxièmement, plus le mélange gaz-EGR/gaz-frais est chaud, plus il favorise l'apparition du cliquetis lequel est défavorable au rendement dudit moteur.
Le problème est que la charge diluée à l'EGR refroidi est pauvre en oxygène. Ceci est paradoxal puisque c'est par ailleurs le but recherché notamment pour que la charge reste stœchiométrique et résistante au cliquetis. Il résulte de cet appauvrissement en oxygène une initiation de la combustion plus difficile à obtenir et un développement de la combustion plus lent que lorsque ladite charge est non-diluée à l'EGR refroidi.
Dans un moteur à allumage commandé, l'initialisation de la combustion s'opère en créant un arc électrique à haute température entre deux électrodes distantes l'une de l'autre de quelques dixièmes de millimètres.
Lorsque la charge en air-carburant est fortement diluée avec de l'EGR refroidi, l'arc électrique traverse un mélange globalement pauvre en oxygène et en carburant. Le risque d'un raté d'allumage augmente si d'aventure, l'espace de quelques dixièmes de millimètres qui sépare la cathode de l'anode de la bougie d'allumage ne contient pas un mélange gaz-EGR/gaz-frais suffisamment brûlable car en effet, des hétérogénéités se créent inévitablement dans l'espace tridimensionnel de la chambre de combustion, avec des poches plus riches en oxygène et/ou en carburant que d'autres.
Si la combustion s'initialise comme souhaité, l'énergie du carburant que contient la charge commence à se libérer sous forme de chaleur et la flamme entame son développement. Pour cela, par approches successives, ladite flamme communique sa chaleur au mélange gaz-EGR/gaz-frais environnant, couche brûlable après couche brûlable. Chaque couche est portée à sa température d'inflammation par la couche précédente, brûle, et libère de la chaleur qu'elle communique à la couche suivante et ainsi de suite. Selon le principe de la réaction en chaîne, la flamme se propage dans l'espace tridimensionnel de la chambre de combustion du moteur à allumage commandé.
Le principal problème de l'EGR refroidi est qu'il rend difficile l'initialisation de la combustion, puis ralentit considérablement le développement de cette dernière à la fois à cause de la réduction globale de sa température, et à cause des hétérogénéités de richesse en comburant et/ou carburant trouvées dans le volume de la chambre de combustion et donc, sur le parcours de la flamme.
On constate d'ailleurs expérimentalement que plus la teneur de la charge en EGR refroidi augmente, plus le moteur devient instable. A partir d'une certaine dite teneur, des ratés d'allumage surviennent et le rendement - qui jusqu'alors avait tendance à augmenter avec la teneur en EGR refroidi de la charge - décroît. Au-delà d'une certaine teneur en dit EGR, le moteur à allumage commandé s'arrête, la combustion ne parvenant plus à s'initialiser.
On remarque aussi que la teneur des gaz d'échappement en hydrocarbures imbrûlés et en monoxyde de carbone augmente parallèlement à la teneur en EGR refroidi de la charge. Ceci provient à la fois de poches de mélange trop pauvres pour brûler convenablement rencontrées par la flamme sur son parcours, et de l'épaississement de la couche limite de coincement de flamme à proximité des parois internes froides de la chambre de combustion du moteur.
Toujours de manière expérimentale, on constate aussi que plus la puissance d'allumage est importante, plus il est possible d'augmenter la teneur en EGR refroidi de la charge sans trop altérer la stabilité du moteur.
A ce titre, de nombreux laboratoires de recherche - tels que le « South West Research Institute » aux Etats-Unis - ont développé des dispositifs d'allumage électriques de plus en plus puissants de sorte à reculer les limites accessibles de teneur en EGR refroidi de la charge. La finalité de cette stratégie reste bien entendu d'améliorer le rendement du moteur à allumage commandé.
Le problème de la surenchère à la puissance des allumages électriques est que leur rendement décroît rapidement avec leur puissance. Il faut donc toujours plus de puissance électrique pour obtenir de moins en moins de puissance d'allumage additionnelle.
En outre, une puissance électrique élevée n'a d'intérêt que si l'on éloigne les électrodes de la bougie l'une de l'autre pour donner plus de chances à l'étincelle de traverser une poche brûlable, ou alors que l'on augmente la durée de l'étincelle, ou que l'on répète l'étincelle. Ceci conduit à des tensions et à des puissances électriques de plus en plus élevées qui complexifient la réalisation des isolants électriques de la bougie d'allumage tout en réduisant drastiquement la durée de vie de cette dernière.
La difficulté à allumer la charge provient aussi du fait que l'EGR refroidi est d'autant plus intéressant sur des moteurs à allumage commandé suralimentés dont on cherche par tous moyens à réduire la sensibilité au cliquetis. Or, plus la pression de suralimentation est élevée, plus la densité du mélange gaz-EGR/gaz-frais est importante entre les électrodes de la bougie au moment du déclenchement de l'étincelle, et plus il faut de tension pour provoquer ladite étincelle.
De ce point de vue, l'EGR refroidi ne va pas dans la bonne direction puisqu'à même énergie introduite dans le cylindre du moteur, la masse de gaz qui se trouve entre les électrodes augmente de même que la résistance dudit gaz à l'auto-inflammation.
On note que le brevet N° FR 2 986 564 appartenant au demandeur constitue une réponse robuste à ces problèmes. Le dispositif d'allumage par étincelle et stratification haute-pression pour moteur à combustion interne dont il est question dans ledit brevet propose d'injecter sous haute pression, au centre de la bougie d'allumage et peu de temps avant le déclenchement de l'étincelle, une charge pilote approximativement stœchiométrique, hautement brûlable car non diluée à l'EGR refroidi, et potentiellement légèrement riche en carburant.
Une fois injectée par ledit dispositif, ladite charge pilote baignant les électrodes de la bougie, dès qu'un arc électrique se forme entre lesdites électrodes, ladite charge s'enflamme immédiatement et libère l'énergie qu'elle contient. Ainsi, ladite charge elle-même constitue t-elle le moyen d'allumage en soi dont la puissance est de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois plus importante que celle de l'arc électrique qui a permis de la mettre à feu. Il est pratiquement impossible d'obtenir une telle puissance d'allumage avec des moyens électriques seuls.
L'expérience démontre d'ailleurs que des taux d'EGR refroidi de l'ordre de cinquante pour cent sont possibles avec un tel dispositif contre de l'ordre de trente pour cent seulement avec les seuls dispositifs d'allumage électrique les plus puissants qui soient.
On notera que l'approche retenue dans le brevet N° FR 2 986 564 se retrouve sous des formes apparentées dans le brevet N° US 4 319 552 des inventeurs Fred N. Sauer et J. Brian Barry, ou dans le brevet N° DE 41 40 962 A1 appartenant à la société « Bosch ».
En tout état de cause, le brevet N° US6564770 de la société « Orbital » n'entre pas dans cette catégorie car il s'agit selon ce brevet d'assurer à relativement basse pression la constitution d'une charge principale la plus homogène possible, et non pas de former une charge pilote à des fins d'allumage d'une charge principale hautement diluée à l'EGR.
Le problème du dispositif décrit par le brevet N° FR 2 986 564 et dans les brevets apparentés tels qu'ils viennent d'être listés réside non pas dans l'initialisation de la combustion qui est très performante, mais dans le développement de ladite combustion. Notamment, lorsque la fraction brûlée du carburant que contient la charge principale atteint les cinquante pourcents environ, la combustion peine à progresser de sorte que le temps total requis pour brûler l'entièreté de la charge principale est plus important que le temps requis pour brûler l'entièreté d'une charge principale non-diluée à l'EGR refroidi.
Il résulte de ceci qu'une partie du gain énergétique potentiel de l'EGR refroidi est perdue à cause d'une combustion qui se développe trop lentement.
Or, le maximum de bénéfice de l'EGR refroidi serait trouvé s'il était possible d'opérer un moteur à allumage commandé simultanément avec une charge principale dont la teneur en EGR refroidi est de l'ordre de cinquante pour cent d'une part, et avec une stabilité et une durée totale de combustion comparables à celles trouvées sur le même dit moteur lorsque ce dernier brûle une charge non-diluée d'autre part.
La solution pourrait provenir de l'utilisation d'une préchambre dans laquelle serait introduite la charge pilote, ladite préchambre pouvant héberger les électrodes de la bougie et même, faire partie intégrante de ladite bougie comme le propose le brevet N° US 4 319 552 .
Le premier avantage d'une telle préchambre est qu'elle maintient potentiellement la charge pilote au plus proche des électrodes de la bougie, ce qui peut limiter la dispersion de ladite charge dans la chambre de combustion principale du moteur à allumage commandé avant la mise à feu de ladite charge.
Le deuxième avantage de ladite préchambre est qu'une fois mise à feu, la charge pilote pressurise ladite préchambre laquelle envoie des torches de gaz brûlants à haute vitesse dans la chambre de combustion principale du moteur à allumage commandé via des orifices que comporte ladite préchambre.
Cette mise à feu de la charge principale au moyen de torches est très efficace car au lieu de partir du centre de la chambre de combustion comme c'est le cas avec une bougie d'allumage ordinaire, la flamme s'initialise en de multiples endroits de la chambre combustion, et se développe radialement depuis la périphérie de la chambre vers le centre de la chambre, et tangentiellement entre chaque torche.
L'énergie du carburant s'en retrouve libérée en un temps très court, ce qui est favorable au rendement thermodynamique du moteur à allumage commandé car non seulement la détente est plus productive en travail, mais la moindre sensibilité au cliquetis qui découle d'une combustion aussi rapide permet d'opérer ledit moteur avec un rapport volumétrique significativement plus élevé.
En tout état de cause, le brevet N° US 4 319 552 ou la solution proposée dans le brevet FR 2 986 564 appartenant au demandeur ou dans les brevets apparentés précédemment évoqués ne peuvent se comparer à la multitude de brevets qui injectent du carburant seul dans une préchambre ou non, et non un mélange constitué d'air et de carburant.
Parmi ces brevets, on citera par exemple ceux connus sous le N° GB 2 311 327 A de « Fluid Research Limited », le N° US 4,864,989 de «Tice Technology Corp», le N° US 4,124,000 de « General Motors », le N° US 4,239,023 de « Ford Motor Company », le N° US 4,892,070 de l'inventeur Dieter Kuhnert, le N° US 2001/0050069 A1 des inventeurs Radu Oprea et Edward Rakosi, ou encore le brevet N° US 2012/0103302 A1 de l'inventeur William Attard sur le principe duquel est fondé le système d'allumage « Turbulent Jet Ignition » développé par la société allemande « Mahle » pour les moteurs de Formule 1.
Il existe en effet une différence fondamentale entre les solutions exposées dans ces derniers brevets qui s'adressent aux moteurs à allumage commandé dits « à mélange pauvre » et qui n'ont pour objectif que d'enrichir la charge en carburant autour du point d'allumage au motif que la charge dans son ensemble est pauvre en carburant mais riche en oxygène, et les solutions exposées dans le brevet FR 2 986 564 et brevets apparentés qui s'adressent quant à eux principalement aux moteurs à allumage commandé opérants avec une charge fortement diluée à l'EGR refroidi et qui ont pour objectif de constituer un mélange riche en carburant ET en oxygène autour du point d'allumage, au motif que la charge dans son ensemble est pauvre en carburant ET en oxygène.
A ce stade, on a vu qu'injecter une charge pilote hautement brûlable constituée d'air et de carburant pour envelopper les électrodes de la bougie avec ladite charge comme le propose le brevet N° FR 2 986 564 permet d'allumer efficacement une charge principale fortement diluée à l'EGR.
On a aussi vu qu'une fois allumée ladite charge principale, la combustion se développe rapidement jusqu'à ce qu'environ cinquante pour cent de la quantité totale de carburant contenue dans la dite charge aient été brûlés. Au-delà des dits cinquante pour cent, la combustion se développe plus lentement ce qui fait qu'à partir d'une certaine teneur en EGR de la charge principale, le rendement thermodynamique du moteur à allumage commandé décroît au lieu d'augmenter comme espéré.
On a supposé que si - comme le propose le brevet N° US 4 319 552 - la charge pilote était injectée dans une préchambre dans laquelle sont hébergées les électrodes de la bougie, ce dernier problème de développement de la combustion au delà de cinquante pour cent serait en tout ou partie résolu.
En effet, ladite préchambre éjecterait par ses orifices des torches de gaz brûlants animés d'une grande vitesse qui à la fois initialiseraient la combustion sur une grande longueur radiale autour du point d'allumage, mais aussi, plisseraient le front de flamme ce qui favoriserait le développement de la flamme perpendiculairement aux dites torches.
Pour autant, cette dernière solution n'est pas pleinement satisfaisante pour un grand nombre de raisons dont certaines ont conduit à abandonner les dispositifs d'allumage basés sur une préchambre, particulièrement dans le contexte des moteurs à allumage commandé.
En effet, pour être efficace, la préchambre doit présenter un dôme suffisamment protubérant pour que les trous par lesquels sont éjectés les gaz brûlants pour former des torches ne lèchent pas les parois internes froides du moteur. En passant à haute vitesse par lesdits trous, lesdits gaz chauffent ledit dôme qui - à partir d'une certaine température - se comporte comme une « boule chaude » à l'instar du système d'allumage du moteur à combustion interne inventé par Stuart Herbert-Akroyd et décrit dans le brevet CHD4226 du 4 décembre 1891. Un tel point chaud conduit alors potentiellement à des allumages intempestifs de la charge principale non-commandés par étincelle. Le cliquetis qui peut s'en suivre est de nature à endommager voire à détruire le moteur à allumage commandé.
Une solution peut consister en refroidir intensivement ledit dôme pour éviter qu'il ne constitue un point chaud. Toutefois, l'export de chaleur qui en résulte se fait au détriment d'une part, de l'efficacité des torches de gaz brûlants dont la température et la vélocité sont réduites lors de leur passage au travers des trous aménagés dans ledit dôme, et d'autre part, de l'efficacité thermodynamique du moteur à allumage commandé.
En d'autres termes, soit le dôme est trop chaud, soit trop froid et surtout, l'allumage de la charge principale devient par trop dépendant de la préchambre et de la charge pilote. Cette dépendance est un handicap lorsque le moteur à allumage commandé ne nécessite que peu ou pas de dilution de sa charge principale avec de l'EGR, ce qui survient dans de nombreux cas.
En effet, la constitution d'une charge pilote air-carburant portée à haute pression n'est pas gratuite au plan énergétique. Il faut préalablement comprimer de l'air, ce qui nécessite un compresseur entraîné par le moteur à allumage commandé lui-même, puis injecter du carburant dans ledit air. Une autre stratégie peut consister en directement comprimer un mélange air-carburant constitué préalablement.
On notera que du fait de son coût énergétique non-négligeable, à même efficacité d'allumage, plus la masse de la charge pilote est petite par rapport à celle de la charge principale, meilleur est le bilan énergétique final du moteur à allumage commandé lorsqu'il opère sous fort taux d'EGR. Il faut donc tout faire pour conférer à la charge pilote une efficacité spécifique à allumer la charge principale la plus grande possible, relativement à la masse de ladite charge pilote.
En d'autres termes, à même efficacité d'allumage, la charge pilote doit conduire à la compression de la plus petite quantité de mélange air-carburant possible, sous la pression la plus basse possible.
Pour autant, la dépense d'énergie liée à la compression de la charge pilote ne se justifie pas toujours et ce notamment lorsque la charge principale est peu ou pas diluée à l'EGR. Or, aux charges partielles - qui caractérisent le fonctionnement d'un moteur automobile dans la majorité de son temps d'utilisation - les pertes par pompage peuvent être réduites au moyen d'un contrôle flexible des soupapes d'admission.
A charges partielles, cette stratégie connue sous le terme anglo-saxon de « variable valve actuation » se substitue avantageusement à l'EGR et conduit à des rendements du moteur à allumage commandé similaires à ceux permis par ladite EGR sans avoir à recourir à une charge pilote dispendieuse en énergie.
Les charges élevées sous forte turbo-suralimentation peuvent également constituer un autre cas où la charge pilote n'est pas nécessaire.
En effet, l'EGR augmente la pression de suralimentation requise à même énergie introduite dans le ou les cylindre(s) du moteur à allumage commandé. A très fortes charges et tandis que la charge dudit moteur est diluée à l'EGR, pour obtenir la puissance recherchée pour le moteur à allumage commandé, le compresseur de suralimentation doit fournir plus de travail que si la charge n'était pas diluée. Au-delà d'un certain taux d'EGR, la turbine placée à l'échappement du moteur n'a plus assez de puissance pour entraîner ledit compresseur. Le taux d'EGR accessible s'en trouve limité au point que la charge pilote n'est plus nécessaire pour garantir l'initialisation et le développement de la combustion.
En somme, la situation idéale consisterait à allumer la charge principale au moyen d'une bougie d'allumage classique lorsque ladite charge est peu ou pas diluée à l'EGR, et au moyen d'un dispositif d'allumage par charge pilote si possible avec préchambre quand ladite charge est fortement diluée à l'EGR.
Une deuxième bougie pourrait éventuellement palier à ce besoin. Toutefois, il est pratiquement impossible de loger ladite deuxième bougie dans la culasse d'un moteur moderne automobile équipée de quatre soupapes par cylindres et d'un injecteur qui débouche directement dans la chambre de combustion.
Donc, si l'on voulait bénéficier à la fois des avantages de première part, d'une préchambre telle que décrite par exemple dans le brevet US 4 319 552 quand on recourt à une injection de charge pilote selon les principes énoncés dans le brevet FR 2 986 564 et de deuxième part, d'un allumage classique avec une bougie d'allumage conventionnelle, il faudrait pouvoir escamoter ladite préchambre quand opère la bougie d'allumage conventionnelle et inversement.
De plus, il faudrait que lorsque la préchambre est utilisée, cette dernière ne puisse pas se comporter comme un dispositif d'allumage à « boule chaude » tel que précédemment évoqué ou du moins, que l'initialisation de la combustion de la charge principale soit bien déclenchée au moment choisi, et non subie à un moment incontrôlé.
Ceci implique de refroidir les parties chaudes de la préchambre susceptibles de déclencher un auto-allumage sans diminuer l'efficacité de ladite préchambre à diffuser des torches de gaz brûlants dans l'espace tridimensionnel de la chambre de combustion du moteur qui contient la charge principale.
Pourtant, dans la mesure où les moteurs modernes suralimentés reçoivent quasi systématiquement une injection directe d'essence, l'adoption d'une préchambre dans laquelle sont logées les électrodes de la bougie d'allumage aux fins d'allumer une charge pilote est quasiment impossible si l'on veut avec les mêmes moyens pouvoir allumer la charge principale sans recourir à la charge pilote.
En effet, fortement diluer la charge à l'EGR refroidi est très avantageux sur ce type de moteurs. Pour autant, les électrodes de la bougie d'allumage des moteurs l'injection directe suralimentés doivent être protubérantes pour que le mélange carburé hautement brûlable formé par l'injecteur d'essence baigne lesdites électrodes. Or, si lesdites électrodes sont à l'intérieur d'une préchambre munie de trous, cette condition n'est pas remplie et l'initialisation de la combustion ne peut plus être garantie. Pour contourner ce problème, il faudrait systématiquement recourir à l'allumage par charge pilote dont le coût énergétique n'est pas marginal.
La difficulté d'atteindre les électrodes de la bougie avec le mélange carburé si lesdites électrodes sont logées dans une préchambre est particulièrement adressée par exemple dans le brevet N° EP 1 464 804 A1 de la société « Peugeot Citroën Automobiles » dans lequel est revendiquée une pression d'injection directe importante permettant de favoriser la pénétration d'une partie du mélange air-essence à l'intérieur de la préchambre via les orifices traversant la paroi de ladite préchambre.
D'ailleurs, ce dernier brevet hérite des principes du brevet N° EP 1 411 221 A2 du même déposant dans lequel est implicitement adressé l'effet de « boule chaude » potentiellement produit par la préchambre et redouté par les motoristes pour son effet déclencheur de cliquetis.
En effet, en revendication N°10 dudit brevet, il est proposé de réaliser la paroi de la préchambre avec une alliage ayant une conductivité thermique à 20°C d'au moins 10W/K/m et de préférence d'au moins 30W/K/m. On comprend que cette caractéristique est recherchée pour que la paroi de la préchambre se refroidisse le plus rapidement possible pour éviter l'effet de « boule chaude ».
En revendication N°13 de ce même brevet, on découvre aussi que les parois et les orifices de la préchambre peuvent être revêtus d'un matériau réfractaire, ceci étant révélateur de la nécessité de garder un matériau également suffisamment chaud pour ne pas trop réduire la température des torches de gaz brûlants, et pour éviter un trop grand export de chaleur vers les parties froides du moteur thermique. Toutefois, un tel matériau réfractaire ne manquerait pas de promouvoir l'effet « boule chaude » au demeurant rédhibitoire.
On comprend d'ailleurs aisément que les problèmes potentiels exposés dans les brevets N° EP 1 464 804 A1 et EP 1 411 221 A2 qui viennent d'être cités se retrouvent sous une forme différente dans de nombreux brevets qui décrivent des bougies d'allumage dans lesquelles est aménagée une préchambre. Parmi ces brevets, on notera celui connu sous le numéro DE 0 675 272 A1 et sa variante WO 03/071644 A1 , et ceux publiés sous les numéros EP 1 143 126 A2 ou EP 1 701 419 A1 .
On remarquera que l'idée de produire des bougies à préchambre intégrée est ancienne, comme en atteste le brevet N° US 2,047,575 du 14 juillet 1936 .
D'ailleurs les bougies exposées dans ces brevets présentent une préchambre est « passive » qui est constituée d'une simple calotte munie d'orifices. Ce type de préchambre est principalement exploité dans des moteurs opérant à régime stabilisé. En effet, la section des orifices de ladite préchambre sont prévus pour qu'une pression différentielle suffisante soit obtenue au moment de l'allumage de la fraction de charge contenue dans la préchambre de sorte que les torches de gaz chauds atteignent une vitesse d'éjection suffisante au travers desdits orifices.
Le problème est que si la préchambre se vide via lesdits orifices, elle se remplit aussi via les mêmes orifices. En conséquence, l'emploi de telles bougies résulte d'un équilibre précis entre la section des trous et la vitesse de rotation du moteur. Ceci concourt à expliquer pourquoi ce type de bougie n'est pas utilisé en automobile où le régime du moteur à allumage commandé varie constamment.
Outre les problèmes posés par la température élevée de la préchambre et par son remplissage et son vidage, on notera que dans le contexte particulier de l'injection d'une charge pilote constituée d'un mélange d'air et de carburant tel que proposé dans le brevet N° FR 2 986 564 se pose également le problème de la dispersion de ladite charge pilote dans la charge principale, avant la mise à feu de ladite charge pilote. Toute dite dispersion réduit l'efficacité spécifique de la charge pilote à allumer la charge principale. Ceci ne peut se compenser qu'en augmentant la masse de ladite charge pilote ce qui se fait au détriment du rendement énergétique final du moteur à allumage commandé.
Le problème provient de ce que l'injecteur qui introduit la charge pilote dans la charge principale a besoin de temps pour réaliser l'injection de ladite charge pilote sous une pression nécessairement supérieure à celle de la charge principale.
On notera d'ailleurs que la pression d'injection de la charge pilote reste approximativement constante cependant que la pression de la charge principale croît sous l'effet de sa compression consécutive à la remontée du piston du moteur à allumage commandé vers son Point Mort Haut. Le début de l'injection de la charge pilote s'opère donc sous une pression différentielle plus grande que la fin de ladite injection. Il résulte de ceci que la vitesse d'éjection des gaz constitutifs de la charge pilote est plus grande en début d'injection qu'en fin d'injection.
Sauf à disposer d'une préchambre de grand volume ce qui n'est pas possible, une partie de la charge pilote va inexorablement sortir par les orifices de la préchambre et se mélanger avec la charge principale qui présente une forte teneur en EGR. Le mélange entre charge pilote et charge principale sera particulièrement prononcé en début d'injection. L'inflammabilité du mélange ainsi constitué d'air, de carburant et d'EGR sera donc nécessairement hétérogène dans le volume de la préchambre et hors de la préchambre. L'efficacité de la charge pilote à s'enflammer le plus rapidement possible s'en trouvera réduite de même que l'efficacité des torches de gaz brûlants à mettre à feu la charge principale. Cette baisse d'efficacité ne pourra être compensée que par une augmentation de la masse en air et carburant de la charge pilote, ceci au détriment du rendement énergétique global du moteur à allumage commandé.
Idéalement, il faudrait donc éviter par tous moyens de disperser la charge pilote dans la charge principale avant l'allumage de ladite charge pilote.
Toujours idéalement et comme nous l'avons vu précédemment, il faudrait injecter la charge pilote air-carburant dans une préchambre uniquement lorsque le moteur à allumage commandé opère sous fort taux d'EGR tandis que lorsque ledit moteur n'opère que sous EGR faible voire nul, une bougie d'allumage classique serait utilisée pour allumer la charge principale.
Ceci s'inscrirait toujours dans l'objectif - le moteur opérant sous fort taux d'EGR refroidi - de limiter au maximum la masse de la charge pilote pour en minimiser le coût énergétique de compression, et d'augmenter autant que possible l'efficacité de ladite charge pilote à allumer la charge principale.
Lorsque seule une bougie d'allumage classique est utilisée pour allumer la charge principale il faudrait - encore idéalement - que la préchambre disparaisse de sorte à ce qu'elle ne puise en rien se comporter comme une « boule chaude ».
En définitive, il serait très avantageux de conférer au dispositif décrit par le brevet N° FR 2 986 564 lequel s'est révélé efficace initialiser la combustion sous très forts taux d'EGR refroidi et à développer ladite combustion jusqu'à ce qu'une fraction d'environ cinquante pourcent du carburant que contient la charge principale soit brûlée, la capacité à développer très rapidement ladite combustion jusqu'à ce qu'une fraction d'au moins quatre vingt dix ou cent pourcent dudit carburant soit brûlée.
Ceci pourrait être réalisé au moyen d'une préchambre comme le suggère le brevet N° US 4 319 552 , mais à la seule condition de contourner les défauts rédhibitoires usuels de ladite préchambre, et d'en améliorer significativement l'efficacité.
L'ensemble de ces objectifs est adressé par la bougie d'allumage à électrode-navette selon l'invention qui - suivant un mode particulier de réalisation - permet :

De bénéficier avec une seule et même bougie d'allumage des avantages d'une préchambre dans laquelle est injectée puis mise à feu une charge pilote pour allumer une charge principale au moyen de torches de gaz brûlants, et des avantages d'électrodes protubérantes non enfermées dans une préchambre, compatibles avec l'injection directe d'essence, et permettant d'allumer directement la charge principale au moyen d'un arc électrique formé entre lesdites électrodes ;
D'éviter que la préchambre ne génère un quelconque point chaud susceptible de provoquer l'auto-inflammation intempestive de la charge principale ;
De minimiser la masse de la charge pilote nécessaire non seulement pour initialiser la combustion de charges principales fortement diluées à l'EGR, mais aussi pour assurer un développement rapide de ladite combustion jusqu'à ce que l'intégralité desdites charges principales soient brûlées.
Dans ce dernier objectif, d'éviter la dispersion de la charge pilote dans la charge principale durant l'injection de ladite charge pilote dans ladite charge principale.

Pour atteindre ces objectifs, la bougie d'allumage à électrode-navette selon l'invention prévoit :

D'escamoter la préchambre lorsque celle-ci est inutile, ladite préchambre étant alors remplacée par des électrodes protubérantes ;
La préchambre étant escamotée, de refroidir activement la surface de ladite préchambre exposée aux gaz chauds, entre deux cycles de combustion ;
De maintenir fermée la préchambre pendant l'essentiel du temps d'injection de la charge pilote laquelle se réalise dans un espace clos dans lequel les gaz de la charge pilote ne peuvent en rien se mélanger avec les gaz de la charge principale.

On notera que la bougie d'allumage à électrode-navette selon l'invention n'implique pas d'augmenter significativement la tension électrique aux bornes de ladite bougie pour provoquer l'étincelle d'allumage, ladite tension restant au voisinage des tensions usuellement retenues pour les bougies d'allumage ordinaires.
Ladite bougie d'allumage à électrode-navette est prévue peu chère à fabriquer en grande série pour rester compatible avec les contraintes économiques de la plupart des applications auxquelles elle se destine, y-compris automobiles. En outre, la durée de vie de ladite bougie est supposée être similaire à celle d'une bougie d'allumage classique.
Il est entendu que la bougie d'allumage à électrode-navette selon l'invention peut s'appliquer à tout moteur à allumage commandé à combustion interne quel qu'en soit le type, quel que soit le carburant gazeux, liquide ou solide qu'il consomme, et que sa charge principale soit diluée avec de l'EGR refroidi ou non, avec un gaz neutre de quelque nature que ce soit, ou avec un gaz riche en oxygène ou en tout autre comburant.
Il est aussi entendu que la charge pilote que reçoit la préchambre de la bougie d'allumage à électrode-navette selon l'invention peut contenir un carburant et/ou un comburant différent du carburant et/ou comburant qui constitue la charge principale du moteur à allumage commandé.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention est prévue pour un moteur à combustion interne lequel comprend au moins un cylindre dans lequel peut translater un piston pour former - avec une culasse - une chambre de combustion dans laquelle peut être mise à feu une charge principale cette dernière étant constituée d'un mélange comburant-carburant d'une part, et étant plus ou moins diluée avec un air riche en oxygène ou avec un gaz neutre d'autre part, ledit moteur à combustion interne comprenant aussi un conduit d'admission et un conduit d'échappement débouchant dans ladite chambre.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comporte au moins des électrodes et un isolant en céramique logé dans un culot métallique qui présente un filetage de culot, et au moins une électrode centrale, et au moins une électrode de masse, ladite bougie recevant également une cavité de stratification reliée à la chambre de combustion que comporte le moteur à combustion interne par un conduit de stratification tandis qu'un injecteur de stratification peut directement ou indirectement injecter dans ladite cavité une charge pilote préalablement mise sous pression, ladite charge étant constituée d'un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable au moyen d'une étincelle, ladite bougie d'allumage à électrode-navette comprenant selon l'invention :

Au moins une électrode centrale qui débouche dans la cavité de stratification ;
Au moins une électrode-navette qui est en tout ou partie faite d'un matériau électriquement conducteur et qui est partiellement ou entièrement logée à faible jeu dans le conduit de stratification, ladite électrode-navette s'intercalant entre l'électrode centrale et une électrode de masse et présentant de première part, une extrémité côté chambre qui fait face à l'électrode de masse et qui est exposée à la pression régnant dans la chambre de combustion et de deuxième part, une extrémité côté cavité qui fait face à l'électrode centrale et qui est exposée à la pression régnant dans la cavité de stratification, ladite électrode-navette pouvant translater dans ledit conduit sous l'effet de la pression des gaz soit en direction de la cavité de stratification lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion, soit en direction de la chambre de combustion lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification ;

Au moins une butée d'électrode-navette côté cavité qui détermine la position de l'électrode-navette la plus proche de la cavité de stratification ;
Au moins une butée d'électrode-navette côté chambre qui détermine la position de l'électrode-navette la plus proche de la chambre de combustion.

La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une électrode-navette qui obture en tout ou partie le conduit de stratification lorsqu'elle est au plus proche de la cavité de stratification tandis qu'elle ouvre ledit conduit sur une plus large section lorsqu'elle est positionnée au plus proche de la chambre de combustion.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend tout ou partie du conduit de stratification qui comprend un manchon isolant constitué d'un matériau électriquement isolant et/ou thermiquement isolant et/ou réfractaire, qui est solidaire dudit conduit, et qui s'intercale radialement et/ou axialement entre l'électrode-navette et ledit conduit, ladite électrode-navette pouvant translater à l'intérieur dudit manchon.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un manchon isolant qui comporte au moins un canal longitudinal de passage des gaz qui permet aux gaz de passer de la cavité de stratification à la chambre de combustion ou inversement, ledit canal pouvant être aménagé à l'intérieur et/ou en surface interne ou externe dudit manchon.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une électrode-navette qui est constituée d'un corps de navette isolant constitué d'un matériau électriquement isolant, ledit corps étant traversé de part en part dans le sens de sa longueur par une âme conductrice de laquelle il est solidaire, ladite âme étant constituée d'un matériau électriquement conducteur, une première extrémité de ladite âme faisant face à l'électrode de masse tandis qu'une deuxième extrémité de ladite âme fait face à l'électrode centrale.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une butée d'électrode-navette côté cavité qui est constituée d'un siège d'obturation d'électrode-navette aménagé dans le conduit de stratification ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit, ledit siège coopérant avec une collerette d'obturation d'électrode-navette que présente l'électrode-navette en son pourtour et/ou en son extrémité.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un siège d'obturation d'électrode-navette et une collerette d'obturation d'électrode-navette qui constituent une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion est supérieure la pression qui règne dans la cavité de stratification.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une butée d'électrode-navette côté chambre qui est constituée d'un siège d'ouverture d'électrode-navette aménagé dans le conduit de stratification ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit, ou dans le culot métallique, ledit siège coopérant avec une collerette d'ouverture d'électrode-navette que présente l'électrode-navette en son pourtour et/ou en son extrémité.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un siège d'ouverture d'électrode-navette et une collerette d'ouverture d'électrode-navette qui constituent une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une électrode-navette qui comporte en son pourtour des moyens de guidage qui maintiennent ladite électrode-navette approximativement centrée dans le conduit de stratification, et approximativement dans la même orientation longitudinale que ledit conduit et ceci, quelle que soit la position axiale de ladite électrode-navette par rapport audit conduit.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une électrode-navette qui comporte au moins un canal longitudinal de passage des gaz qui permet aux gaz de passer de la cavité de stratification à la chambre de combustion ou inversement, ledit canal pouvant être aménagé à l'intérieur et/ou en surface de ladite l'électrode-navette et pouvant être réalisé soit, sur l'entièreté de la longueur de ladite l'électrode-navette cependant que les deux extrémités dudit canal débouchent respectivement au niveau de l'extrémité côté chambre et au niveau de l'extrémité côté cavité, soit, sur une portion seulement de ladite longueur tandis que l'une au moins des deux dites extrémités dudit canal débouche radialement de la surface externe de l'électrode-navette.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une collerette d'obturation d'électrode-navette et une collerette d'ouverture d'électrode-navette qui forment communément une seule et même collerette d'obturation-ouverture laquelle définit avec le conduit de stratification - lorsque ladite collerette d'obturation-ouverture est au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette - une préchambre d'allumage par torche qui communique simultanément avec la cavité de stratification d'une part, et avec la chambre de combustion par l'intermédiaire d'au moins un orifice d'éjection des gaz d'autre part.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une préchambre d'allumage par torche qui est aménagée à l'intérieur du manchon isolant.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un manchon isolant qui dépasse du culot métallique pour présenter un dôme d'éjection protubérant duquel débouche l'orifice d'éjection des gaz.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un dôme d'éjection protubérant qui est une pièce rapportée sur le manchon isolant.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un siège d'ouverture d'électrode-navette qui est aménagé dans le dôme d'éjection protubérant.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une paroi périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche qui est cylindrique tandis que la collerette d'obturation-ouverture est logée à faible jeu radial dans ladite préchambre.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention prévoit que lorsque l'électrode-navette est positionnée proche de la chambre de combustion c'est à dire soit au voisinage soit au contact de la butée d'électrode-navette côté chambre avec laquelle elle coopère, la collerette d'obturation d'électrode-navette découvre au moins un orifice d'éjection des gaz qui met en relation la cavité de stratification avec la chambre de combustion.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend un injecteur de stratification qui peut directement, ou indirectement via un conduit de sortie d'injecteur, injecter la charge pilote dans la cavité de stratification par l'intermédiaire d'une chambre annulaire d'injection de charge pilote qui est aménagée soit, dans un puits de bougie fileté dans lequel se visse le culot métallique au moyen du filetage de culot, soit, sur le pourtour extérieur dudit culot métallique, soit, à la fois dans ledit puits et sur ledit pourtour dudit culot, ladite chambre annulaire communiquant avec la cavité de stratification via au moins un canal d'injection des gaz aménagé approximativement radialement dans le culot métallique.
La bougie d'allumage à électrode-navette suivant la présente invention comprend une cavité de stratification qui est aménagée à l'intérieur de l'isolant en céramique.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés et donnés à titre d'exemples non limitatifs permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente, et les avantages qu'elle est susceptible de procurer :

Figure 1 est une vue en coupe schématique de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention telle qu'elle peut être installée dans la culasse d'un moteur à combustion interne.
Figure 2 est une vue en coupe schématique de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention dont l'électrode-navette est faite d'une seule et même pièce de matériau électriquement conducteur qui peut translater dans un manchon isolant que comprend le conduit de stratification, un siège d'obturation d'électrode-navette formant la butée d'électrode-navette côté cavité tandis qu'un siège d'ouverture d'électrode-navette forme la butée d'électrode-navette côté chambre, les deux dites butées coopérant avec une collerette d'obturation-ouverture que présente l'électrode-navette.
Figures 3 à 8 sont des vues rapprochées partielles en coupe schématique de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la configuration particulière montrée en figure 2, lesdites vues rapprochées illustrant diverses phases de fonctionnement de ladite bougie.
Figure 9 est une vue tridimensionnelle de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 2.
Figure 10 est une vue tridimensionnelle en coupe longitudinale brisée de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 2.
Figure 11 est une vue tridimensionnelle éclatée de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 2.
Figure 12 est une vue en coupe schématique de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention dont l'électrode-navette est constituée d'un corps de navette isolant traversé de part en part dans le sens de sa longueur par une âme conductrice de laquelle il est solidaire, la butée d'électrode-navette côté cavité étant constituée d'un siège d'obturation d'électrode-navette aménagé à l'extrémité du conduit de stratification, ledit siège coopérant avec une collerette d'obturation d'électrode-navette que présente l'électrode-navette en son extrémité.
Figures 13 à 18 sont des vues rapprochées partielles en coupe schématique de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la configuration particulière montrée en figure 12, lesdites vues rapprochées illustrant diverses phases de fonctionnement de ladite bougie.
Figure 19 est une vue tridimensionnelle de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 12.
Figure 20 est une vue tridimensionnelle en coupe longitudinale brisée de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 12.
Figure 21 est une vue tridimensionnelle éclatée de la bougie d'allumage à électrode-navette suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 12.

DESCRIPTION DE L'INVENTION :

On a montré en figures 1 à 21 la bougie d'allumage à électrode-navette 1, divers détails de ses composants, ses variantes, et ses accessoires.
Comme l'illustre la figure 1, la bougie d'allumage à électrode-navette 1 est prévue pour moteur à combustion interne 2 qui comprend au moins un cylindre 8 dans lequel peut translater un piston 9 pour former - avec une culasse 10 - une chambre de combustion 11 dans laquelle peut être mise à feu une charge principale 12 cette dernière étant constituée d'un mélange comburant-carburant d'une part, et étant plus ou moins diluée avec un air riche en oxygène ou avec un gaz neutre d'autre part.
Le moteur à combustion interne 2 pour lequel la bougie d'allumage à électrode-navette 1 est prévue comprend en outre un conduit d'admission 13 et un conduit d'échappement 14 débouchant dans la chambre de combustion 11 cependant que ladite bougie 1 comporte un isolant en céramique 3 logé dans un culot métallique 4 lequel présente un filetage de culot 5.
La bougie d'allumage à électrode-navette 1 comprend aussi au moins une électrode centrale 6 et au moins une électrode de masse 7 tandis qu'elle reçoit également une cavité de stratification 15 reliée à la chambre de combustion 11 par un conduit de stratification 16 tandis qu'un injecteur de stratification 17 peut directement ou indirectement injecter dans ladite cavité 15 une charge pilote 18 préalablement mise sous pression par un compresseur de stratification 19, ladite charge 18 étant constituée d'un mélange comburant-carburant (AF) facilement inflammable au moyen d'une étincelle.
Les figures 1 à 21 montrent que la bougie d'allumage à électrode-navette 1 se distingue de l'état de l'art en ce que l'électrode centrale 6 débouche dans la cavité de stratification 15. De plus, les figures 1 à 21 illustrent le fait que la bougie d'allumage à électrode-navette 1 comprend une électrode-navette 20 qui est en tout ou partie faite d'un matériau électriquement conducteur et qui est partiellement ou entièrement logée à faible jeu dans le conduit de stratification 16.
On remarquera en figures 1 à 21 que l'électrode-navette 20 s'intercale entre l'électrode centrale 6 et l'électrode de masse 7 et présente de première part, une extrémité côté chambre 21 qui fait face à l'électrode de masse 7 et qui est exposée à la pression régnant dans la chambre de combustion 11 et de deuxième part, une extrémité côté cavité 22 qui fait face à l'électrode centrale 6 et qui est exposée à la pression régnant dans la cavité de stratification 15.
On notera que selon la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention, l'électrode-navette 20 peut translater dans le conduit de stratification 16 sous l'effet de la pression des gaz soit en direction de la cavité de stratification 15 lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion 11, soit en direction de la chambre de combustion 11 lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification 15.
On peut noter que l'électrode-navette 20 peut aussi se déplacer dans le conduit de stratification 16 sous l'effet de la gravité ou d'une accélération, ce qui ne saurait être interprété comme un avantage quelconque ou un mode de fonctionnement recherché.
La bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention comprend en outre au moins une butée d'électrode-navette côté cavité 23 qui détermine la position de l'électrode-navette 20 la plus proche de la cavité de stratification 15.
Enfin, ladite bougie 1 suivant l'invention comprend au moins une butée d'électrode-navette côté chambre 24 qui détermine la position de l'électrode-navette 20 la plus proche de la chambre de combustion 11.
On notera que selon un mode particulier de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention, la butée d'électrode-navette côté cavité 23 et/ou la butée d'électrode-navette côté chambre 24 peut être respectivement constituée de l'électrode centrale 6 et/ou de l'électrode de masse 7.
A titre de variante, l'électrode-navette 20 peut comporter des moyens d'indexation en rotation selon son axe longitudinal qui l'empêchent de tourner selon ledit axe sans l'empêcher de translater dans le conduit de stratification 16.
On remarquera qu'avantageusement, l'électrode-navette 20 et/ou le conduit de stratification 16 dans lequel elle translate peut être revêtu d'un matériau antifriction connu en soi et/ou anti-adhérent et/ou réfractaire.
En outre, l'électrode-navette 20 peut être creuse ou présenter des moyens d'allégement tandis que tous les types d'électrodes connus de l'homme de l'art peuvent s'appliquer à l'électrode centrale 6, à l'électrode de masse 7, à l'extrémité côté chambre 21 ou à l'extrémité côté cavité 22.
Selon un mode particulier de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention particulièrement visible en figures 2 à 21, l'électrode-navette 20 peut obturer en tout ou partie le conduit de stratification 16 lorsqu'elle est au plus proche de la cavité de stratification 15 tandis qu'elle peut ouvrir ledit conduit 16 sur une plus large section lorsqu'elle est positionnée au plus proche de la chambre de combustion 11.
Comme l'illustrent les figures 2 à 11, tout ou partie du conduit de stratification 16 peut comprendre un manchon isolant 25 constitué d'un matériau électriquement isolant et/ou thermiquement isolant et/ou réfractaire, qui est solidaire dudit conduit 16, et qui s'intercale radialement et/ou axialement entre l'électrode-navette 20 et ledit conduit 16, ladite électrode-navette 20 pouvant translater à l'intérieur dudit manchon 25.
On note que selon un mode particulier de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention, le manchon isolant 25 peut être solidaire de l'isolant en céramique 3 et être aménagé dans la même pièce de matière que ce dernier.
A titre de variante, une lame d'air peut être laissée entre au moins une partie du manchon isolant 25 et le conduit de stratification 16 de sorte à limiter les échanges de chaleur entre ledit manchon 25 et ledit conduit 16.
Les figures 3 à 8 et la figure 11 montrent qu'à titre de variante de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention, le manchon isolant 25 peut comporter au moins un canal longitudinal de passage des gaz 35 qui permet aux gaz de passer de la cavité de stratification 15 à la chambre de combustion 11 ou inversement, ledit canal 35 pouvant être aménagé à l'intérieur et/ou en surface interne ou externe dudit manchon 25.
Les figures 12 à 21 montrent en particulier que l'électrode-navette 20 peut être constituée d'un corps de navette isolant 26 lui-même constitué d'un matériau électriquement isolant, ledit corps 26 étant traversé de part en part dans le sens de sa longueur par une âme conductrice 27 de laquelle il est solidaire, ladite âme 27 étant constituée d'un matériau électriquement conducteur, une première extrémité 28 de ladite âme 27 faisant face à l'électrode de masse 7 tandis qu'une deuxième extrémité 29 de ladite âme 27 fait face à l'électrode centrale 6.
Les figures 3 à 8, la figure 11, les figures 13 à 18 et les figures 20 et 21 permettent de voir clairement que la butée d'électrode-navette côté cavité 23 peut être constituée d'un siège d'obturation d'électrode-navette 30 aménagé dans le conduit de stratification 16 ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit 16, ledit siège 30 coopérant avec une collerette d'obturation d'électrode-navette 31 que présente l'électrode-navette 20 en son pourtour et/ou en son extrémité.
On note que si le conduit de stratification 16 héberge un manchon isolant 25, le siège d'obturation d'électrode-navette 30 peut être aménagé dans ledit manchon 25 ou à l'une quelconque des extrémités dudit manchon 25.
On note également que la collerette d'obturation d'électrode-navette 31 peut être réalisée dans un matériau thermiquement isolant et/ou réfractaire pour être rapportée sur l'électrode-navette 20 réalisée en matériau électriquement conducteur.
A titre de réalisation particulière de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention, le siège d'obturation d'électrode-navette 30 et la collerette d'obturation d'électrode-navette 31 peuvent constituer une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion 11 est supérieure la pression qui règne dans la cavité de stratification 15.
Les figures 2 à 8 montrent clairement que la butée d'électrode-navette côté chambre 24 peut être constituée d'un siège d'ouverture d'électrode-navette 32 aménagé dans le conduit de stratification 16 ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit 16, ou dans le culot métallique 4, ledit siège 32 coopérant avec une collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 que présente l'électrode-navette 20 en son pourtour et/ou en son extrémité.
On note que si le conduit de stratification 16 héberge un manchon isolant 25, le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 peut être aménagé dans ledit manchon 25 ou à l'une quelconque des extrémités dudit manchon 25.
On note également que la collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 peut être réalisée dans un matériau thermiquement isolant et/ou réfractaire et être rapportée sur l'électrode-navette 20 cette dernière étant réalisée en un matériau électriquement conducteur.
On remarquera aussi que le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 et la collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 peuvent constituer une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.
La figure 21 permet clairement de remarquer que l'électrode-navette 20 peut comporter en son pourtour des moyens de guidage 34 qui maintiennent ladite électrode-navette 20 approximativement centrée dans le conduit de stratification 16, et approximativement dans la même orientation longitudinale que ledit conduit 16 et ceci, quelle que soit la position axiale de ladite électrode-navette 20 par rapport audit conduit 16.
Les figures 2 à 21 à l'exclusion des figures 9 et 19 montrent que l'électrode-navette 20 peut comporter au moins un canal longitudinal de passage des gaz 35 qui permet aux gaz de passer de la cavité de stratification 15 à la chambre de combustion 11 ou inversement, ledit canal 35 pouvant être aménagé à l'intérieur et/ou en surface de ladite l'électrode-navette 20 et pouvant être réalisé soit, sur l'entièreté de la longueur de ladite l'électrode-navette 20 cependant que les deux extrémités dudit canal 35 débouchent respectivement au niveau de l'extrémité côté chambre 21 et au niveau de l'extrémité côté cavité 22, soit, sur une portion seulement de ladite longueur tandis que l'une au moins des deux dites extrémités dudit canal 35 débouche radialement de la surface externe de l'électrode-navette 20.
Comme le montrent les figures 2 à 8 et les figures 10 et 11, la collerette d'obturation d'électrode-navette 31 et la collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 peuvent former communément une seule et même collerette d'obturation-ouverture 36 laquelle définit avec le conduit de stratification 16 - lorsque ladite collerette d'obturation-ouverture 36 est au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette 32 - une préchambre d'allumage par torche 37.
On note qu'en ce cas, la préchambre d'allumage par torche 37 communique simultanément avec la cavité de stratification 15 d'une part, et avec la chambre de combustion 11 par l'intermédiaire d'au moins un orifice d'éjection des gaz 38 d'autre part qui peut par exemple être aménagé approximativement radialement, dans le culot métallique 4 ou dans le manchon isolant 25.
On remarquera que l'orifice d'éjection des gaz 38 peut être plus ou moins orienté vers la chambre de combustion 11 et sortir plus ou moins tangentiellement à la circonférence du culot métallique 4. En outre, la géométrie de l'orifice d'éjection des gaz 38 peut varier selon que le jet de gaz sortant dudit orifice 38 est prévu plutôt directif, ou plutôt diffus.
A titre d'exemple, l'orifice d'éjection des gaz 38 peut être cylindrique, conique, ou encore former un convergent ou un divergent. En outre, la collerette d'obturation-ouverture 36 peut être réalisée dans un matériau thermiquement isolant et/ou réfractaire pour être rapportée sur l'électrode-navette 20 réalisée en matériau électriquement conducteur.
Les figures 3 à 8 et les figures 10 et 11 montrent que la préchambre d'allumage par torche 37 peut être aménagée à l'intérieur du manchon isolant 25.
En ce cas, le manchon isolant 25 peut dépasser du culot métallique 4 pour présenter un dôme d'éjection protubérant 47 duquel débouche l'orifice d'éjection des gaz 38, ledit dôme 47 pouvant par exemple être maintenu en position dans ledit culot 4 par des pattes ou par une collerette de sertissage.
D'ailleurs et comme l'illustrent les figures 2 à 11, le dôme d'éjection protubérant 47 peut être une pièce rapportée sur le manchon isolant 25 qui est également constituée d'un matériau électriquement isolant et/ou thermiquement isolant et/ou réfractaire.
Cette configuration particulière permet notamment d'assembler la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention et particulièrement, d'installer la collerette d'obturation-ouverture 36 constitutive de l'électrode-navette 20 dans la préchambre d'allumage par torche 37.
Les figures 3 à 8 montrent que le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 peut être aménagé dans le dôme d'éjection protubérant 47.
Comme le rendent particulièrement visible les figures 10 et 11, la paroi périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche 37 peut être cylindrique tandis que la collerette d'obturation-ouverture 36 peut être logée à faible jeu radial dans ladite préchambre 37 de sorte à laisser un faible jeu radial entre ladite collerette 36 et ladite paroi quelle que soit la position de électrode-navette 20 par rapport au conduit de stratification 16, ledit faible jeu radial constituant un passage restreint qui freine le passage des gaz entre la cavité de stratification 15 et la chambre de combustion 11.
On voit d'ailleurs en figures 13, 16, 17 et 18 que lorsque l'électrode-navette 20 est positionnée proche de la chambre de combustion 11 c'est à dire soit au voisinage soit au contact de la butée d'électrode-navette côté chambre 24 avec laquelle elle coopère, la collerette d'obturation d'électrode-navette 31 peut découvrir au moins un orifice d'éjection des gaz 38 qui met en relation la cavité de stratification 15 avec la chambre de combustion 11, ledit orifice 38 pouvant par exemple être aménagé approximativement radialement dans le culot métallique 4 et être plus ou moins orienté vers la chambre de combustion 11 et sortir plus ou moins tangentiellement à la circonférence du culot métallique 4.
En outre, la géométrie de l'orifice d'éjection des gaz 38 peut varier selon que le jet de gaz sortant dudit orifice 38 est prévu plutôt directif, ou plutôt diffus. A titre d'exemple, l'orifice d'éjection des gaz 38 peut être cylindrique, conique, ou encore former un convergent ou un divergent.
Selon une variante particulière de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention particulièrement montrée en figures 2 et 12, l'injecteur de stratification 17 peut directement, ou indirectement via un conduit de sortie d'injecteur 42, injecter la charge pilote 18 dans la cavité de stratification 15 par l'intermédiaire d'une chambre annulaire d'injection de charge pilote 39.
En ce cas, la chambre annulaire d'injection de charge pilote 39 est aménagée soit, dans un puits de bougie fileté 40 dans lequel se visse le culot métallique 4 au moyen du filetage de culot 5, soit, sur le pourtour extérieur dudit culot métallique 4, soit, à la fois dans ledit puits 40 et sur ledit pourtour dudit culot 4, ladite chambre annulaire 39 communiquant avec la cavité de stratification 15 via au moins un canal d'injection des gaz 41 aménagé approximativement radialement dans le culot métallique 4 ou éventuellement tangentiellement à ce dernier.
On notera qu'à titre d'autre variante de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention, la cavité de stratification 15 est aménagée à l'intérieur de l'isolant en céramique 3. En alternative, ladite cavité 15 peut être revêtue d'un matériau thermiquement isolant et/ou réfractaire.
On remarquera que les principaux composants innovants de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention tels que l'électrode-navette 20, la butée d'électrode-navette côté cavité 23 ou la butée d'électrode-navette côté chambre 24, peuvent être logés dans un culot rapporté dans la culasse 10 dans lequel se visse le culot métallique d'une bougie d'allumage conventionnelle dénuée d'une électrode de masse faisant face à son électrode centrale.

FONCTIONNEMENT DE L'INVENTION :

Le fonctionnement de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention se comprend aisément à la vue des figures 1 à 21.
La figure 1 illustre que la bougie d'allumage à électrode-navette 1 est ici montée sur un moteur à combustion interne 2, son culot métallique 4 étant vissé dans la culasse 10 dudit moteur 2.
Pour détailler ledit fonctionnement, nous retiendrons ici l'exemple de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention tel qu'illustré en figures 2 à 11 sur lesquelles on constate que l'électrode-navette 20 est faite d'une seule et même pièce de matériau électriquement conducteur qui en l'occurrence est un métal. Selon cet exemple, l'électrode-navette 20 peut translater dans un manchon isolant 25 que comprend le conduit de stratification 16, qui s'intercale radialement entre l'électrode-navette 20 et le conduit de stratification 16, et qui est constitué d'un matériau électriquement et thermiquement isolant comme une céramique ou équivalent.
On peut noter que le manchon isolant 25 comporte trois canaux longitudinaux de passage des gaz 35 de section large qui permettent aux gaz de passer de la cavité de stratification 15 à la chambre de combustion 11 ou inversement. Lesdits canaux 35 sont aménagés à l'intérieur dudit manchon 25.
On remarque selon cet exemple non-limitatif de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention que la butée d'électrode-navette côté cavité 23 est constituée d'un siège d'obturation d'électrode-navette 30 aménagé à l'extrémité du manchon isolant 25, ledit siège 30 coopérant avec une collerette d'obturation d'électrode-navette 31 que présente l'électrode-navette 20 en son pourtour.
On comprend que le siège d'obturation d'électrode-navette 30 et la collerette d'obturation d'électrode-navette 31 constituent une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression régnant dans la chambre de combustion 11 est supérieure à celle régnant dans la cavité de stratification 15.
Toujours selon cet exemple de réalisation, on remarque aussi que la butée d'électrode-navette côté chambre 24 est constituée d'un siège d'ouverture d'électrode-navette 32 également aménagé dans le manchon isolant 25, ledit siège 32 coopérant avec une collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 que présente l'électrode-navette 20 en son pourtour et/ou en son extrémité.
On note que le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 et la collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 constituent une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.
On remarque que selon l'exemple particulier de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention pris ici pour en illustrer le fonctionnement, la collerette d'obturation d'électrode-navette 31 et la collerette d'ouverture d'électrode-navette 33 sont confondues pour former communément une seule et même collerette d'obturation-ouverture 36. Ceci est particulièrement visible en figures 2 à 8, et en figures 10 et 11.
On remarque d'ailleurs en figure 3, en figures 6 à 8, et en figure 10, que lorsque la collerette d'obturation-ouverture 36 est au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette 32 avec lequel elle coopère, elle définit avec le manchon isolant 25 une préchambre d'allumage par torche 37 qui communique simultanément avec la cavité de stratification 15 d'une part, et avec la chambre de combustion 11 par l'intermédiaire de huit orifices d'éjection des gaz 38 d'autre part.
Selon l'exemple pris ici, nous considèrerons que le diamètre desdits orifices 38 vaut quinze centièmes de millimètre.
Comme l'illustrent particulièrement les figures 2 à 11, pour recevoir la préchambre d'allumage par torche 37, le manchon isolant 25 est prolongé d'un dôme d'éjection protubérant 47 à l'intérieur duquel est aménagée ladite préchambre 37. On note que ledit dôme 47 dépasse du culot métallique 4 et que c'est dudit dôme 47 que débouchent les orifices d'éjection des gaz 38.
Comme on le voit en figures 2 à 11, le dôme d'éjection protubérant 47 est une pièce rapportée sur le manchon isolant 25 qui est également constituée d'un matériau thermiquement isolant et réfractaire, tandis que le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 est effectivement aménagé dans ledit dôme 47.
On notera que la paroi périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche 37 est cylindrique tandis que la collerette d'obturation-ouverture 36 est logée à faible jeu radial dans ladite préchambre 37 - par exemple de cinq centièmes de millimètre - de sorte à laisser un faible jeu radial entre ladite collerette 36 et ladite paroi quelle que soit la position de l'électrode-navette 20 par rapport au conduit de stratification 16.
Ledit faible jeu radial force la majorité des gaz transférés depuis la chambre de combustion 11 vers la cavité de stratification 15 ou inversement à passer via les orifices d'éjection des gaz 38 plutôt qu'entre la paroi périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche 37 et la collerette d'obturation-ouverture 36.
On remarque que selon que la pression qui règne dans la cavité de stratification 15 est inférieure ou supérieure à la pression régnant dans la chambre de combustion 11, l'électrode-navette 20 peut être amenée à se positionner soit sur sa butée d'électrode-navette côté cavité 23 comme l'illustrent les figures 4 et 5, soit sur sa butée d'électrode-navette côté chambre 24 comme l'illustrent les figures 2 et 3, les figures 6 à 8, et la figure 10.
En l'occurrence et comme ceci vient d'être décrit, la butée d'électrode-navette côté cavité 23 n'est autre que le siège d'obturation d'électrode-navette 30 tandis que la butée d'électrode-navette côté chambre 24 est constituée du siège d'ouverture d'électrode-navette 32.
Quand l'électrode-navette 20 est au contact de la butée d'électrode-navette côté cavité 23, l'espace laissé entre son extrémité côté chambre 21 et l'électrode de masse 7 est selon cet exemple illustratif de sept dixièmes de millimètre tandis que l'espace laissé entre son extrémité côté cavité 22 et l'électrode centrale 6 est de un dixième de millimètre.
A l'opposé et comme on le conçoit aisément, quand l'électrode-navette 20 est au contact de la butée d'électrode-navette côté chambre 24, l'espace laissé entre son extrémité côté chambre 21 et l'électrode de masse 7 est de un dixième de millimètre tandis que l'espace laissé entre son extrémité côté cavité 22 et l'électrode centrale 6 est de sept dixièmes de millimètre.
Ainsi, la longueur totale de l'arc électrique - ou nommé autrement, de l'étincelle - devant être produit entre l'électrode de masse 7 et l'électrode centrale 6 est constante, de huit dixième de millimètre, tandis que la distance à parcourir par l'électrode-navette 20 pour aller d'une butée 23, 24 à l'autre est de six dixièmes de millimètre.
Ainsi et avantageusement, la tension électrique à produire pour créer ledit arc électrique reste constante et proche des valeurs usuellement utilisées dans le cadre des bougies d'allumage des moteurs à allumage commandé cependant que la plus grande longueur dudit arc se produit dans la chambre de combustion 11 quand l'électrode-navette 20 est au contact de la butée d'électrode-navette côté cavité 23, et dans la cavité de stratification 15 quand l'électrode-navette 20 est au contact de la butée d'électrode-navette côté chambre 24.
Pour comprendre le fonctionnement de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention, il est utile d'en décomposer le fonctionnement durant les quatre temps du moteur à combustion interne 2.
Dans un premier temps, nous considérerons que ledit moteur 2 brûle une charge principale 12 pratiquement non-diluée et donc hautement brûlable. Le recours à une charge pilote 18 n'est donc pas nécessaire ce qui permet de faire l'économie de la compression de ladite charge pilote 18 et de conférer audit moteur 2 un rendement maximal dans ce contexte.
L'électrode-navette 20 étant au contact de la butée d'électrode-navette côté cavité 23, durant la phase d'admission du moteur à combustion interne 2, le piston 9 descend dans le cylindre 8. Le volume de la chambre de combustion 11 augmente et la pression qui règne dans ladite chambre 11 baisse. Une charge principale 12 est introduite dans le cylindre 8 via le conduit d'admission 13 du moteur à combustion interne 2 par une soupape d'admission 45.
Ainsi, la pression qui règne dans la chambre de combustion 11 devient momentanément plus basse que celle qui règne dans la cavité de stratification 15. En conséquence, les gaz que contient la cavité de stratification 15 exercent un effort sur la collerette d'obturation-ouverture 36 qui formait jusqu'alors un contact étanche avec le siège d'obturation d'électrode-navette 30 avec lequel elle coopère. Une telle situation est illustrée en figure 6.
Consécutivement audit effort, le contact entre la collerette d'obturation-ouverture 36 et le siège d'obturation d'électrode-navette 30 est rompu et l'électrode-navette 20 se déplace en direction de la chambre de combustion 11 jusqu'à ce que la collerette d'obturation-ouverture 36 vienne au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette 32, ce que montre également la figure 6.
Se faisant, des gaz brulés ou non du cycle précédent encore contenus dans la cavité de stratification 15 s'échappent de cette dernière pour se diriger vers la chambre de combustion 11 principalement et respectivement via les trois canaux longitudinaux de passage des gaz 35 que comporte le manchon isolant 25, la préchambre d'allumage par torche 37, et les orifices d'éjection des gaz 38.
On aura d'ailleurs remarqué que durant sa course, la collerette d'obturation-ouverture 36 aura progressivement ouvert le passage aux gaz via les canaux longitudinaux de passage des gaz 35 en découvrant les orifices d'éjection des gaz 38 d'abord partiellement, puis de plus en plus et jusqu'à totalement au fur et à mesure de son avancement en direction du siège d'ouverture d'électrode-navette 32.
La séquence qui vient d'être décrite permet de trouver la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention dans la situation illustrée en figure 3.
Le piston 9 ayant atteint son Point Mort Bas et la soupape d'admission 45 s'étant refermée, ledit piston 9 commence à remonter dans le cylindre 8 et à comprimer la charge principale 12. Le volume de la chambre de combustion 11 diminue et la pression qui règne dans ladite chambre 11 augmente au point de devenir plus élevée que celle qui règne dans la cavité de stratification 15.
Il en résulte que les gaz que contient la chambre de combustion 11 exercent un effort sur la collerette d'obturation-ouverture 36 qui formait jusqu'alors un contact étanche avec le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 avec lequel elle coopère. En conséquence, l'électrode-navette 20 se déplace jusqu'à ce que la collerette d'obturation-ouverture 36 vienne en butée sur le siège d'obturation d'électrode-navette 30 pourformer avec ce dernier à nouveau un contact étanche. Ceci conduit à la situation montrée en figure 4.
On notera que dans tous les cas, sauf durant le bref instant durant lequel la collerette d'obturation-ouverture 36 forme un contact étanche avec le siège d'obturation d'électrode-navette 30, c'est principalement la pression dynamique des gaz liée au déplacement de ces derniers depuis la cavité de stratification 15 vers la chambre de combustion 11 ou inversement, qui agit sur ladite collerette 36 pour manoeuvrer l'électrode-navette 20 en translation.
On comprend que la quantité de gaz qui transite au niveau de la collerette d'obturation-ouverture 36 pour passer de la chambre de combustion 11 à la cavité de stratification 15 ou inversement dépend du mouvement du piston 9 mais aussi, du rapport entre de première part, le volume total de dit gaz contenu dans le cylindre 8 et la chambre de combustion 11, et de deuxième part, le volume total de dit gaz contenu dans la préchambre d'allumage par torche 37, les canaux longitudinaux de passage des gaz 35, la cavité de stratification 15, les canaux d'injection des gaz 41, la chambre annulaire d'injection de charge pilote 39, et le conduit de sortie d'injecteur 42.
On notera aussi que lorsque la collerette d'obturation-ouverture 36 forme un contact étanche avec le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 et alors que monte la pression dans la chambre de combustion 11, la section totale qu'expose ladite collerette 36 à la pression de gaz contenus dans ladite chambre 11 est significativement plus grande que la section totale des orifices d'éjection des gaz 38. Ceci permet de produire un effort suffisant sur l'électrode-navette 20 pour la pousser en direction de la cavité de stratification 15 lors de la remontée du piston 9 dans le cylindre 8, à une vitesse suffisamment élevée.
Le piston 9 continuant sa remontée dans le cylindre 8, il comprime la charge principale 12, ce qui plaque de plus en plus fortement la collerette d'obturation-ouverture 36 sur le siège d'obturation d'électrode-navette 30.
Lorsque la charge principale 12 doit être mise à feu, un courant haute tension est appliqué à l'électrode centrale 6 de sorte qu'un arc électrique d'un dixième de millimètre est produit entre ladite électrode centrale 6 et l'extrémité côté cavité 22 de l'électrode-navette 20, tandis qu'un deuxième arc électrique de sept dixièmes de millimètre est produit entre l'électrode de masse 7 et l'extrémité côté chambre 21 de l'électrode-navette 20. Cette situation est montrée en figure 5.
Les gaz brûlables éventuellement présents dans la cavité de stratification 15 ne sont pas mis à feu car la distance entre l'électrode centrale 6 et l'extrémité côté cavité 22 de l'électrode-navette 20 est insuffisante. En effet, ladite distance est inférieure à l'épaisseur de la couche de coincement de flamme connue en soi qui tapisse la surface interne de la cavité de stratification 15.
La charge principale 12 est quant à elle mise à feu dans des conditions similaires à celles trouvées dans tout moteur à allumage commandé opérant avec une charge principale 12 pratiquement non-diluée et hautement brûlable.
Le piston 9 ayant franchi son Point Mort Haut, il redescend dans le cylindre 8 pour détendre les gaz constitutifs de la charge principale 12 désormais chauds. Ledit piston 9 opère cette descente tout en produisant du travail sur un vilebrequin 43 que possède le moteur à combustion interne 2, par l'intermédiaire d'une bielle 44 avec laquelle coopère ledit vilebrequin 43.
Le piston 9 arrivant à proximité de son Point Mort Bas, la soupape d'échappement 46 du moteur à combustion interne 2 s'ouvre et les gaz brûlés commencent à s'échapper de la chambre de combustion 11 via le conduit d'échappement 14. La pression régnant dans ladite chambre 11 baisse brutalement au point de devenir rapidement inférieure à celle régnant dans la cavité de stratification 15.
Les gaz que contient la cavité de stratification 15 exercent alors un effort sur la collerette d'obturation-ouverture 36 qui formait jusque là un contact étanche avec le siège d'obturation d'électrode-navette 30 avec lequel elle coopère.
Consécutivement audit effort et comme montré en figure 6, l'électrode-navette 20 se déplace en direction de la chambre de combustion 11 jusqu'à ce que la collerette d'obturation-ouverture 36 vienne au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette 32, ou non si le temps laissé à ce déplacement est trop court car en effet, le piston 9 ayant dépassé son Point Mort Bas, il commence à expulser les gaz brûlés de la chambre de combustion 11 via le conduit d'échappement 14.
Durant la course d'échappement du piston 9, on comprend que la pression des gaz va sensiblement remonter dans la chambre de combustion 11 au point que l'électrode-navette 20 peut repartir en direction de la cavité de stratification 15 et ceci, jusqu'à ce que la collerette d'obturation-ouverture 36 vienne ou non en contact avec le siège d'obturation d'électrode-navette 30. Cette situation qui peut en tout ou partie survenir est illustrée en figure 4.
Une fois que le piston 9 a atteint à nouveau son Point Mort Haut en fin de course d'échappement, le moteur à combustion interne 2 peut effectuer un nouveau cycle thermodynamique à quatre temps dont on comprend que l'allumage peut être opéré par la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention dans des conditions analogues à celles trouvées dans tout dit moteur 2 à allumage commandé équipé d'une bougie d'allumage conventionnelle, et opérant une charge principale 12 peu ou pas diluée et donc hautement brûlable.
Les avantages de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention ne sont effectivement notables que lorsque la charge principale 12 est fortement diluée par exemple avec des gaz d'échappement recirculés refroidis dits « EGR refroidi ». En effet, le mélange gazeux qui en résulte est plus résistant à l'inflammation et n'est en rien favorable à un développement rapide de sa combustion dans l'espace tridimensionnel de la chambre de combustion 11.
Dans de telles conditions, le recours à une charge pilote 18 est recommandé sous réserve que ladite charge 18 soit efficace non seulement à initialiser la combustion, mais aussi à développer ladite combustion en un temps le plus court possible, ces deux objectifs étant directement servis par la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention.
Selon l'exemple non-limitatif de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 pris ici pour en illustrer le fonctionnement, nous supposerons que la charge pilote 18 contient un pourcent du carburant que contient la charge principale 12.
Comme précédemment, l'électrode-navette 20 étant au contact de la butée d'électrode-navette côté cavité 23, durant la phase d'admission dudit moteur 2, le piston 9 descend dans le cylindre 8.
Le volume de la chambre de combustion 11 augmente et la pression qui règne dans ladite chambre 11 baisse. Une charge principale 12 fortement diluée à l'EGR refroidi est introduite dans le cylindre 8 par la soupape d'admission 45 via le conduit d'admission 13 du moteur à combustion interne 2.
Comme précédemment, la pression qui règne dans la chambre de combustion 11 devient momentanément plus basse que celle qui règne dans la cavité de stratification 15. En conséquence, les gaz que contient la cavité de stratification 15 exercent un effort sur la collerette d'obturation-ouverture 36 qui formait jusqu'alors un contact étanche avec le siège d'obturation d'électrode-navette 30 avec lequel elle coopère.
Consécutivement audit effort et comme l'illustre la figure 6, le contact entre la collerette d'obturation-ouverture 36 et le siège d'obturation d'électrode-navette 30 est rompu et l'électrode-navette 20 se déplace en direction de la chambre de combustion 11 jusqu'à ce que la collerette d'obturation-ouverture 36 vienne au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette 32.
Ce faisant, des gaz brulés ou non du cycle précédent encore contenus dans la cavité de stratification 15 s'échappent de cette dernière pour se diriger vers la chambre de combustion 11 respectivement via les trois canaux longitudinaux de passage des gaz 35 que comporte le manchon isolant 25, la préchambre d'allumage par torche 37, et les huit orifices d'éjection des gaz 38.
Le piston 9 ayant atteint son Point Mort Bas et la soupape d'admission 45 s'étant refermée, ledit piston 9 commence à remonter dans le cylindre 8 et à comprimer la charge principale 12 fortement diluée à l'EGR refroidi. Le volume de la chambre de combustion 11 diminue et la pression qui règne dans ladite chambre 11 monte au point de devenir plus élevée que celle qui règne dans la cavité de stratification 15.
Il en résulte que les gaz que contient la chambre de combustion 11 exercent un effort sur la collerette d'obturation-ouverture 36 qui formait jusqu'alors un contact étanche avec le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 avec lequel elle coopère. En conséquence et comme l'illustre la figure 4, l'électrode-navette 20 se déplace rapidement jusqu'à ce que la collerette d'obturation-ouverture 36 vienne en butée sur le siège d'obturation d'électrode-navette 30 pour former avec ce dernier un nouveau contact étanche.
Le piston 9 continuant à remonter dans le cylindre 8, la pression régnant dans la chambre de combustion 11 continue à monter cependant que la pression régnant dans la cavité de stratification 15 ne monte plus et conserve la valeur qu'elle avait au moment où la collerette d'obturation-ouverture 36 est venue en butée sur le siège d'obturation d'électrode-navette 30 pour former avec ce dernier un contact étanche.
La cavité de stratification 15 forme désormais un volume protégé dans lequel les gaz contenus dans la chambre de combustion 11 ne peuvent plus pénétrer.
C'est à compter de cet instant que l'injecteur de stratification 17 commence à injecter une charge pilote 18 constituée d'un mélange comburant-carburant AF facilement inflammable dans la cavité de stratification 15, via le conduit de sortie d'injecteur 42, et par l'intermédiaire de la chambre annulaire d'injection de charge pilote 39 aménagée dans le puits de bougie fileté 40.
Comme on le voit en figures 2 à 12, ceci est rendu possible par le fait que la chambre annulaire d'injection de charge pilote 39 communique avec la cavité de stratification 15 au moyen - selon cet exemple non-limitatif - de huit canaux d'injection des gaz 41 aménagés radialement dans le culot métallique 4 à hauteur de la chambre annulaire d'injection de charge pilote 39.
La cavité de stratification 15 formant dans un premier temps un volume fermé et protégé, le mélange comburant-carburant AF facilement inflammable qui compose la charge pilote 18 ne se dilue en rien avec les gaz peu inflammables car fortement dilués avec de l'EGR refroidi dont est constituée la charge principale 12.
Seuls subsistent les gaz dilués à l'EGR résiduels qui ont été introduits dans la cavité de stratification 15 avant que la collerette d'obturation-ouverture 36 ne soit arrivée en butée sur le siège d'obturation d'électrode-navette 30, lesdits gaz dilués ne représentant que quelques pourcents de la charge pilote 18.
On notera que le début de l'injection de la charge pilote 18 dans la cavité de stratification 15 par l'injecteur de stratification 17 a été déclenché sur ordre d'un calculateur de gestion non-représenté du moteur à combustion interne 2, tenant compte de la dynamique et du débit dudit injecteur 17, et de façon à ce que la pression régnant dans ladite cavité 15 devienne supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion 11 seulement quelques degrés de rotation du vilebrequin 43 avant que ne doive être mise à feu la charge principale 12.
Lorsque effectivement, la pression régnant dans la cavité de stratification 15 devient supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion 11, un effort est exercé sur la collerette d'obturation-ouverture 36 par les gaz principalement constitués de mélange comburant-carburant AF facilement inflammable.
Il résulte de ceci que ladite collerette 36 se déplace rapidement en direction de la chambre de combustion 11 pour venir en butée sur le siège d'ouverture d'électrode-navette 32 et pour former avec ce dernier un contact étanche. Cette situation est clairement illustrée en figure 7.
Durant son déplacement, la collerette d'obturation-ouverture 36 a laissé une petite partie du mélange comburant-carburant AF facilement inflammable qui constitue la charge pilote 18 s'échapper principalement via les orifices d'éjection des gaz 38.
Une fois arrivée au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette 32, ladite collerette 36 a de fait éloigné l'extrémité côté cavité 22 de l'électrode-navette 20 à sept dixièmes de millimètre de l'électrode centrale 6 de sorte qu'un courant haute tension peut désormais être appliqué à l'électrode centrale 6 pour qu'un arc électrique de sept dixièmes de millimètre soit produit entre ladite électrode centrale 6 et l'extrémité côté cavité 22 de l'électrode-navette 20 tandis qu'un deuxième arc électrique de un dixième de millimètre est produit entre l'électrode de masse 7 et l'extrémité côté chambre 21 de l'électrode-navette 20. Cette situation est illustrée en figure 8.
La charge pilote 18 étant localement soumise à la chaleur de l'étincelle ainsi créée et du fait qu'elle est principalement constituée de mélange comburant-carburant AF facilement inflammable, elle s'enflamme rapidement tandis que la pression monte violemment dans la cavité de stratification 15 et dans la chambre annulaire d'injection de charge pilote 39 à plusieurs bars au-dessus de la pression qui règne au même moment dans la chambre de combustion 11.
Il résulte de ceci qu'une fraction additionnelle non-brûlée de la charge pilote 18 se retrouve éjectée dans la chambre de combustion 11 via les huit orifices d'éjection des gaz 38, ladite fraction étant immédiatement suivie de torches de gaz brûlants qui la mettent à feu, lesdites torches mettant également à feu la partie des gaz constitutifs de la charge pilote 18 qui a été éjectée via les orifices d'éjection des gaz 38 avant que ne soit déclenchée l'étincelle, comme l'a montré la figure 7.
Cette configuration particulière présente plusieurs avantages tous au service de la mise à feu la plus efficace possible de la charge principale 12 avec la charge pilote 18, cette dernière étant la plus petite possible pour en minimiser le coût énergétique de compression notamment au moyen du compresseur de stratification 19.
Tout d'abord et comme nous l'avons vu, la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention permet d'éviter toute dispersion excessive de la charge pilote 18 dans la charge principale 12 pendant l'injection de ladite charge pilote 18 et avant la mise à feu de cette dernière.
Ensuite, la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention permet sur quelques microsecondes à une partie de la charge pilote 18 de pénétrer dans la charge principale 12 pour l'enrichir très localement en mélange comburant-carburant AF facilement inflammable avant de mettre à feu ladite partie au moyen des torches de gaz brûlants. Cette particularité permet d'éviter que trop de chaleur ne soit transférée en pure perte par les gaz chauds aux parois internes de la cavité de stratification 15 et à celles notamment des canaux longitudinaux de passage des gaz 35, de la préchambre d'allumage par torche 37 et des orifices d'éjection des gaz 38.
En outre, comme le montre clairement la figure 8, les gaz brulants expulsés par les huit orifices d'éjection des gaz 38 aménagés radialement dans le dôme d'éjection protubérant 47 forment des torches de gaz brûlants qui mettent à feu la charge principale 12 en de multiples endroits de la chambre combustion 11, la combustion de ladite charge 12 se développant ensuite radialement depuis la périphérie de ladite chambre 11 vers le centre de ladite chambre 11, et tangentiellement entre chaque dite torche.
La turbulence locale forte qui résulte de la pénétration des dites torches dans le volume de la chambre de la combustion 11 favorise également le plissement du front de flamme généré par chaque dite torche, ce qui augmente encore leur efficacité à promouvoir une combustion rapide de la charge principale 12.
On notera au passage que plus le volume de gaz compris entre l'électrode centrale 6 et les orifices d'éjection des gaz 38 est grand relativement au volume de gaz compris entre la sortie de l'injecteur de stratification 17 et ladite électrode centrale 6, plus la masse de mélange comburant-carburant, (AF) non-brulé expulsée par les orifices d'éjection des gaz 38
avant la formation des torches est grande. Il est ainsi possible pour les ingénieurs motoristes de choisir ce rapport en adaptant comme il se doit les positions et volumes relatifs des différents organes constitutifs de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention.
On peut aussi noter que la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention permet facilement d'assurer la propreté du dôme d'éjection protubérant 47 même lorsque le moteur à combustion interne 2 opère longtemps avec une charge principale 12 non-diluée et donc, sans recourir à une charge pilote 18.
En effet, il est notoirement connu que la tête de l'isolant en céramique des bougies qui est introduit dans la chambre de combustion 11 des moteurs à allumage commandé doit conserver une température idéalement comprise entre environ quatre cent degrés Celsius pour brûler tous dépôts de carbone ou d'huile carbonisée, et huit cent degrés Celsius température au-delà de laquelle apparaissent des risques sérieux d'auto-inflammation incontrôlée de la charge principale 12.
On constate donc que suivant la configuration particulière de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention qui vient d'être prise en exemple pour en illustrer le fonctionnement, c'est le dôme d'éjection protubérant 47 qui peut s'encrasser par manque de température, ou provoquer l'auto-inflammation incontrôlée de la charge principale 12 par excès de température.
L'encrassement de la collerette d'obturation-ouverture 36 ne pose quant à lui pas de problème particulier en ce que ladite collerette 36 monte à haute température quand elle est léchée par les gaz brûlants sortant de la cavité de stratification 15 ou entrant dans cette dernière, puis se refroidit une fois opérée la combustion de la charge principale 12 en se reposant plusieurs fois sur le siège d'obturation d'électrode-navette 30 avec lequel elle coopère.
Lorsque la combustion de la charge principale 12 ne requiert pas une charge pilote 18, la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention se comporte plutôt comme une bougie « froide », le dôme d'éjection protubérant 47 étant directement en contact avec le culot métallique 4 lequel est en contact avec la culasse 10 qui est usuellement maintenue aux alentours de cent dix degrés Celsius lorsque le moteur à combustion interne 2 a atteint sa température nominale de fonctionnement.
On notera qu'une lame d'air peut être laissée entre une partie du manchon isolant 25 et le conduit de stratification 16 de sorte à limiter les échanges de chaleur entre ledit manchon 25 et ledit conduit 16. Ceci permet notamment de régler la température moyenne du dôme d'éjection protubérant 47.
En alternative, il est possible de nettoyer thermiquement le dôme d'éjection protubérant 47 en effectuant régulièrement des injections de charges pilotes 18 au moyen de l'injecteur de stratification 17 lesquelles augmentent la température dudit dôme 47 jusqu'à ce que soit obtenu le nettoyage recherché.
A l'opposé et si cela se justifie, il également possible de réduire la température du dôme d'éjection protubérant 47 en procédant par exemple à des injections d'air seul dans la cavité de stratification 15, par exemple pendant les phase d'admission ou d'échappement du moteur à combustion interne 2.
On remarquera le rôle déterminant de l'électrode-navette 20 dans la limitation de la tension d'allumage. En effet, une tension d'allumage élevée réduit fortement la durée de vie des bougies notamment par corrosion des électrodes qu'elles comportent. En outre, une telle tension en appelle à des isolants massifs qui sont difficilement logeables et qui sont enclins à casser sous l'effet de la température.
Or, toutes choses égales par ailleurs, la tension d'allumage nécessaire est approximativement proportionnelle à la longueur de l'espace inter-électrodes, cependant que ladite tension doit être d'autant plus élevée que la densité des gaz compris entre lesdites électrodes est élevée.
On comprend donc toute la difficulté liée à la stratégie de l'EGR refroidi qui est particulièrement recommandée pour les moteurs à allumage commandé suralimentés, par exemple par turbocompresseur, et qui permet avantageusement d'augmenter le rapport volumétrique desdits moteurs et donc leur rendement moyen, avec la contrepartie d'augmenter la pression de la charge principale 12 au moment de sa mise à feu.
Ceci conduit à une haute densité de gaz entre les électrodes qui plaide en faveur du rapprochement de ces dernières pour éviter de recourir à une tension d'allumage trop élevée.
Or, comme l'électrode-navette 20 se déplace pour alternativement laisser la plus grande longueur d'étincelle soit dans la cavité de stratification 15 soit dans la chambre de combustion 11, la longueur totale de ladite étincelle reste invariablement limitée à huit dixièmes de millimètre selon l'exemple pris ici pour illustrer le fonctionnement de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention.
L'espace inter-électrode résultant est toujours suffisant puisque si le moteur opère une charge principale 12 fortement diluée à l'EGR refroidi, la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention recourt à une charge pilote 18 constituée d'un mélange comburant-carburant AF hautement brûlable, tandis que si la charge principale 12 n'est pas diluée, l'espace inter-électrode reste conforme aux règles-métier usuellement retenues par l'homme de l'art.
Ainsi, l'électrode-navette 20 permet de disposer de deux lieux d'allumage distincts - en l'occurrence la cavité de stratification 15 et la chambre de combustion 11 - sans nécessité de prévoir ni un double système d'allumage avec chacun sa bobine et ses fils conducteurs qui deviendraient difficilement logeables, ni un espace inter-électrode total augmenté qui nécessiterait une tension d'allumage élevée.
Le choix d'un l'un ou l'autre dit lieu se fait automatiquement selon que l'injecteur de stratification 17 injecte ou non une charge pilote 18 dans la cavité de stratification 15.
On remarquera aussi que la bougie d'allumage à électrode-navette 1 permet au moteur à combustion interne 2 d'opérer normalement comme tout dit moteur 2 opérant une charge principale 12 non-diluée à l'EGR refroidi en cas de panne du compresseur de stratification 19, de l'injecteur de stratification 17 ou de tout organe qui permettrait d'alimenter la cavité de stratification 15 en mélange comburant-carburant AF hautement brûlable.
En ce cas, la mise à feu de la charge principale 12 ne passe plus par quelque préchambre « passive » que ce soit - ce type de préchambre n'étant pas adaptée aux moteurs automobiles opérant à régime et à charge infiniment variables - mais par des électrodes protubérantes compatibles avec l'injection directe d'essence, et dont le fonctionnement est similaire à celui des bougies d'allumage ordinaires telles que massivement produites et commercialisées en automobile.
La variante illustrée en figures 2 à 11 de réalisation de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 selon l'invention été choisie à titre d'exemple pour en illustrer le fonctionnement. On notera qu'une autre variante de réalisation de ladite bougie 1 illustrée en figures 12 à 21 repose sur des principes similaires et que l'explication qui vient d'être donnée peut aisément être adaptée auxdites figures 12 à 21 qui son classées dans le même ordre relatif vis-à-vis dudit fonctionnement.
Les possibilités de la bougie d'allumage à électrode-navette 1 suivant l'invention ne s'en limitent pas aux applications qui viennent d'être décrites et il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de ladite invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tout autre équivalent.

Claims

Bougie d'allumage à électrode-navette (1) pour moteur à combustion interne (2), ladite bougie (1) comportant au moins des électrodes (6, 7) et un isolant en céramique (3) logé dans un culot métallique (4) qui présente un filetage de culot (5), ladite bougie (1) recevant également une cavité de stratification (15) configurée pour être reliée à une chambre de combustion (11) que comporte le moteur à combustion interne (2) par un conduit de stratification (16) tandis qu'un injecteur de stratification (17) peut directement ou indirectement injecter dans ladite cavité (15) une charge pilote (18) préalablement mise sous pression, ladite charge (18) étant constituée d'un mélange comburant-carburant facilement inflammable au moyen d'une étincelle, ladite bougie comprenant
• Au moins une électrode centrale (6) qui débouche dans la cavité de stratification (15) ;

• Au moins une électrode-navette (20) qui est en tout ou partie faite d'un matériau électriquement conducteur et qui est partiellement ou entièrement logée à faible jeu dans le conduit de stratification (16), ladite électrode-navette (20) s'intercalant entre l'électrode centrale (6) et une électrode de masse (7) et présentant de première part, une extrémité côté chambre (21) qui fait face à l'électrode de masse (7) et qui est configurée pour être exposée à la pression régnant dans la chambre de combustion (11) et de deuxième part, une extrémité côté cavité (22) qui fait face à l'électrode centrale (6) et qui est exposée à la pression régnant dans la cavité de stratification (15), ladite électrode-navette (20) pouvant translater dans ledit conduit (16) sous l'effet de la pression des gaz soit en direction de la cavité de stratification (15) lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion (11), soit en direction de la chambre de combustion (11) lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification (15) ;

• Au moins une butée d'électrode-navette côté cavité (23) qui détermine la position de l'électrode-navette (20) la plus proche de la cavité de stratification (15) ;

• Au moins une butée d'électrode-navette côté chambre (24) qui détermine la position de l'électrode-navette (20) la plus proche de la chambre de combustion (11).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode-navette (20) obture en tout ou partie le conduit de stratification (16) lorsqu'elle est au plus proche de la cavité de stratification (15) tandis qu'elle ouvre ledit conduit (16) sur une plus large section lorsqu'elle est positionnée au plus proche de la chambre de combustion (11).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que tout ou partie du conduit de stratification (16) comprend un manchon isolant (25) constitué d'un matériau électriquement isolant et/ou thermiquement isolant et/ou réfractaire, qui est solidaire dudit conduit (16), et qui s'intercale radialement et/ou axialement entre l'électrode-navette (20) et ledit conduit (16), ladite électrode-navette (20) pouvant translater à l'intérieur dudit manchon (25).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le manchon isolant (25) comporte au moins un canal longitudinal de passage des gaz (35) qui permet aux gaz de passer de la cavité de stratification (15) à la chambre de combustion (11) ou inversement, ledit canal (35) pouvant être aménagé à l'intérieur et/ou en surface interne ou externe dudit manchon (25).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode-navette (20) est constituée d'un corps de navette isolant (26) constitué d'un matériau électriquement isolant, ledit corps (26) étant traversé de part en part dans le sens de sa longueur par une âme conductrice (27) de laquelle il est solidaire, ladite âme (27) étant constituée d'un matériau électriquement conducteur, une première extrémité (28) de ladite âme (27) faisant face à l'électrode de masse (7) tandis qu'une deuxième extrémité (29) de ladite âme (27) fait face à l'électrode centrale (6).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la butée d'électrode-navette côté cavité (23) est constituée d'un siège d'obturation d'électrode-navette (30) aménagé dans le conduit de stratification (16) ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit (16), ledit siège (30) coopérant avec une collerette d'obturation d'électrode-navette (31) que présente l'électrode-navette (20) en son pourtour et/ou en son extrémité.
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le siège d'obturation d'électrode-navette (30) et la collerette d'obturation d'électrode-navette (31) constituent une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre, ladite étanchéité empêchant tout gaz de passer au niveau dudit contact lorsque la pression qui règne dans la chambre de combustion (11) est supérieure la pression qui règne dans la cavité de stratification (15).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la butée d'électrode-navette côté chambre (24) est constituée d'un siège d'ouverture d'électrode-navette (32) aménagé dans le conduit de stratification (16) ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit (16), ou dans le culot métallique (4), ledit siège (32) coopérant avec une collerette d'ouverture d'électrode-navette (33) que présente l'électrode-navette (20) en son pourtour et/ou en son extrémité.
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le siège d'ouverture d'électrode-navette (32) et la collerette d'ouverture d'électrode-navette (33) constituent une étanchéité quand ils sont au contact l'un de l'autre de sorte à empêcher tout gaz de passer au niveau dudit contact.
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode-navette (20) comporte en son pourtour des moyens de guidage (34) qui maintiennent ladite électrode-navette (20) approximativement centrée dans le conduit de stratification (16), et approximativement dans la même orientation longitudinale que ledit conduit (16) et ceci, quelle que soit la position axiale de ladite électrode-navette (20) par rapport audit conduit (16).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode-navette (20) comporte au moins un canal longitudinal de passage des gaz (35) qui permet aux gaz de passer de la cavité de stratification (15) à la chambre de combustion (11) ou inversement, ledit canal (35) pouvant être aménagé à l'intérieur et/ou en surface de ladite l'électrode-navette (20) et pouvant être réalisé soit, sur l'entièreté de la longueur de ladite l'électrode-navette (20) cependant que les deux extrémités dudit canal (35) débouchent respectivement au niveau de l'extrémité côté chambre (21) et au niveau de l'extrémité côté cavité (22), soit, sur une portion seulement de ladite longueur tandis que l'une au moins des deux dites extrémités dudit canal (35) débouche radialement de la surface externe de l'électrode-navette (20).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant les revendications 6 et 9, caractérisée en ce que la collerette d'obturation d'électrode-navette (31) et la collerette d'ouverture d'électrode-navette (33) forment communément une seule et même collerette d'obturation-ouverture (36) laquelle définit avec le conduit de stratification (16) - lorsque ladite collerette d'obturation-ouverture (36) est au contact du siège d'ouverture d'électrode-navette (32) - une préchambre d'allumage par torche (37) qui communique simultanément avec la cavité de stratification (15) d'une part, et avec la chambre de combustion (11) par l'intermédiaire d'au moins un orifice d'éjection des gaz (38) d'autre part.
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant les revendications 3 et 12, caractérisée en ce que la préchambre d'allumage par torche (37) est aménagée à l'intérieur du manchon isolant (25).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 13, caractérisée en ce que le manchon isolant (25) dépasse du culot métallique (4) pour présenter un dôme d'éjection protubérant (47) duquel débouche l'orifice d'éjection des gaz (38).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 14, caractérisée en ce que le dôme d'éjection protubérant (47) est une pièce rapportée sur le manchon isolant (25).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 14, caractérisée en ce que le siège d'ouverture d'électrode-navette (32) est aménagé dans le dôme d'éjection protubérant (47).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 12, caractérisée en ce que la paroi périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche (37) est cylindrique tandis que la collerette d'obturation-ouverture (36) est logée à faible jeu radial dans ladite préchambre (37).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lorsque l'électrode-navette (20) est positionnée proche de la chambre de combustion (11) c'est à dire soit au voisinage soit au contact de la butée d'électrode-navette côté chambre (24) avec laquelle elle coopère, la collerette d'obturation d'électrode-navette (31) découvre au moins un orifice d'éjection des gaz (38) qui met en relation la cavité de stratification (15) avec la chambre de combustion (11).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'injecteur de stratification (17) peut directement, ou indirectement via un conduit de sortie d'injecteur (42), injecter la charge pilote (18) dans la cavité de stratification (15) par l'intermédiaire d'une chambre annulaire d'injection de charge pilote (39) qui est aménagée soit, dans un puits de bougie fileté (40) dans lequel se visse le culot métallique (4) au moyen du filetage de culot (5), soit, sur le pourtour extérieur dudit culot métallique (4), soit, à la fois dans ledit puits (40) et sur ledit pourtour dudit culot (4), ladite chambre annulaire (39) communiquant avec la cavité de stratification (15) via au moins un canal d'injection des gaz (41) aménagé approximativement radialement dans le culot métallique (4).
Bougie d'allumage à électrode-navette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité de stratification (15) est aménagée à l'intérieur de l'isolant en céramique (3).