FR2860835A1 - Dispositif d'oxydation des hydrocarbures presents dans une chambre de combustion d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

Dispositif d'oxydation des hydrocarbures présents dans une chambre de combustion (16) d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un piston (12) susceptible de se déplacer dans un cylindre (14) et muni d'une surface supérieure (25) délimitant la chambre de combustion, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une électrode (40) montée dans la paroi (26) du cylindre (14) destinée à créer une décharge électrique à l'intérieur de la chambre de combustion, l'électrode étant disposée en un point adjacent à la position de la surface supérieure (25) du piston lorsque celui-ci se trouve dans une position extrême de son cycle de fonctionnement.L'invention trouve son application notamment dans le domaine de l'industrie automobile.

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif d'oxydation des
hydrocarbures et, plus particulièrement à un tel dispositif destiné à oxyder les hydrocarbures imbrûlés restant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne.
Lors du fonctionnement d'un moteur à combustion interne à essence, des hydrocarbures imbrûlés peuvent se trouver dans les crevasses situées entre chaque piston et la paroi du cylindre dans lequel il coulisse. Ces hydrocarbures imbrûlés sont retenus dans les crevasses pendant la phase de compression du cycle de fonctionnement du moteur io et éjectés dans la chambre de combustion pendant la phase de détente. Dans un moteur à combustion interne, les principales sources d'hydrocarbures imbrûlés proviennent de l'accumulation de gaz frais dans les crevasses où la flamme qui est produite lors de la phase de combustion ne peut se propager, de l'adsorption et la désorption du film d'huile et des impacts liquides aux parois.
Une partie des hydrocarbures imbrûlés stockés dans les crevasses pendant la phase de compression du cycle, est éjectée pendant la phase de détente et post-oxydée partiellement dans la chambre. Certains véhicules sont munis de systèmes de post-traitement qui peuvent être mis en oeuvre à l'échappement pour oxyder les hydrocarbures restants.
Les principaux défauts des systèmes actuels de post-traitement des HC sont: -la lourdeur de leur mise en oeuvre; -la difficulté de post-traiter des hydrocarbures imbrûlés fortement 25 dilués dans les gaz d'échappement et avec des débits de gaz d'échappement importants; -la nécessité de mettre en place une stratégie particulière au niveau du contrôle moteur impliquant notamment un fonctionnement périodique du moteur à richesse 1; et -une efficacité très modérée au démarrage, car, pour avoir un fonctionnement optimal, les catalyseurs doivent atteindre une température de light off de l'ordre de 250 C. Cette température est atteinte seulement après plusieurs minutes de fonctionnement.
Dans un plasma non thermique, une décharge électrique produit des électrons très énergétiques qui, par collisions avec les molécules du gaz, vont former des espèces métastables, des ions et des radicaux libres très réactifs sans élévation importante de la température du milieu. Ces espèces très réactives peuvent, par exemple, oxyder partiellement des hydrocarbures imbrûlés.
Il serait souhaitable d'utiliser les propriétés d'un plasma non thermique pour oxyder partiellement les hydrocarbures imbrûlés directement dans les crevasses situées entre chaque piston et la paroi du io cylindre dans lequel il coulisse avant leur éjection dans la chambre de combustion ou au moment de leur éjection pendant la phase de détente. Ces hydrocarbures partiellement oxydés par le plasma pourraient ensuite continuer leur oxydation dans la chambre et ainsi participer au travail moteur pendant la détente.
is Ainsi, la demanderesse s'est fixée comme objectif de fournir un dispositif d'oxydation des hydrocarbures pour un moteur à combustion interne, qui est fiable et qui assure le bon fonctionnement du moteur tout en réduisant la quantité d'hydrocarbures imbrûlés éjectés dans l'atmosphère.
Aussi, la présente invention a trait à un dispositif d'oxydation des hydrocarbures présents dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un piston susceptible de se déplacer dans un cylindre et muni d'une surface supérieure délimitant la chambre de combustion, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une électrode montée dans la paroi du cylindre destinée à créer une décharge électrique à l'intérieur de la chambre de combustion, l'électrode étant disposée en un point adjacent à la position de la surface supérieure du piston lorsque celui-ci se trouve dans une position extrême de son cycle de fonctionnement.
De préférence, la position extrême du cycle est le point mort haut ou le point mort bas du piston.
Avantageusement, l'électrode a une forme sensiblement annulaire le dispositif comprenant de plus un matériau diélectrique isolant l'électrode de la chambre de combustion De manière alternative, le dispositif comprend plusieurs électrodes disposés de manière équidistante autour de la paroi du cylindre, le dispositif comprenant de plus un matériau diélectrique isolant les électrodes de la chambre de combustion.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention vont maintenant être décrits de manière plus détaillée à l'aide des dessins io annexés donnés à titre illustratif et non limitatif sur lesquels: - la Figure 1 est une section schématique d'un moteur à combustion interne muni d'un dispositif d'oxydation des hydrocarbures selon l'invention; la Figure 2 est une vue schématique en détail d'un élément de 15 la figure 1; la Figure 3 est une vue schématique en détail d'un élément de la figure 1 muni du dispositif selon l'invention; et la Figure 4 est une vue schématique d'une électrode faisant partie du dispositif selon l'invention.
Comme représenté sur la Figure 1, un moteur à combustion interne, représenté généralement en 10, comprend au moins un piston 12 susceptible de se déplacer dans un cylindre 14. Une chambre de combustion 16 est délimitée dans le cylindre 14. Une bougie 18 est montée de façon que son extrémité fasse saillie à l'intérieur de la chambre de combustion 16.
Le piston 12 est muni, de façon connue, de deux segments 20, 22 qui sont destinés à assurer l'étanchéité de la chambre de combustion 16. Comme représenté plus en détail sur la Figure 2, le segment supérieur 20 définit, avec la périphérie du piston 12 et la paroi du cylindre 14, un espace 24. Le piston 12 est également muni d'une surface supérieure 25 qui délimite la chambre de combustion 16.
Lors d'un cycle de fonctionnement du moteur 10, des hydrocarbures imbrûlés, provenant du mélange air-carburant présent dans le cylindre, restent dans l'espace 24. En effet, le front de flamme qui est créé après l'allumage du mélange air-carburant n'atteint pas les hydrocarbures présents dans cet espace. A la fin de la phase de combustion, ces hydrocarbures sont éjectés vers l'atmosphère par le système d'échappement du véhicule.
Afin de pouvoir assurer l'oxydation de ces hydrocarbures, et selon l'invention, chaque cylindre 14 du moteur est muni d'une électrode dont le 10 fonctionnement sera décrit ci-après.
Comme représentée sur les Figures 3 et 4, la paroi 26 du cylindre 14 est formée avec une ouverture 28. Dans l'exemple de la Figure 3, l'ouverture 28 est annulaire, s'étendant sur la totalité de la périphérie du cylindre, et divise la paroi 26 en une partie supérieure 30 et une partie inférieure 32. La partie supérieure 30 et la partie inférieure 32 sont munies chacune d'un épaulement respectif 34 et 36. Une couronne de matériau diélectrique 38 est montée dans l'ouverture 28 et prend appui contre les épaulements 34 et 36. Une électrode 40, qui, dans l'exemple illustré, est sensiblement annulaire, est montée, par exemple par collage, à l'intérieur de la couronne 38. De préférence, la couronne est formée en quartz mais d'autres matériaux diélectriques pouvant résister aux contraintes thermiques et vibratoires du moteur peuvent être utilisés comme, par exemple, du saphir ou du verre trempé.
L'ouverture 28 est disposée dans la paroi 26 du cylindre en un point adjacent à la position de la surface supérieure 25 du piston 12 lorsque celui-ci se trouve dans une des positions extrêmes de son cycle de fonctionnement, c'est à dire à plus ou moins 10 soit du point mort haut, soit du point mort bas du cycle. De préférence, il s'agit des positions du point mort haut ou point mort bas afin que l'électrode se trouve immédiatement au dessus de l'espace 24. Lorsque le piston 12 se trouve dans l'une de ces positions, qui dans l'exemple illustré est le point mort haut, l'électrode 40 est alimentée à partir d'une source haute tension, comme il sera décrit plus en détail ci-après, afin de créer une décharge électrique à l'intérieur de la chambre de combustion dans une zone 41 située entre l'électrode et le piston 12. Cette décharge électrique assure l'oxydation partielle des hydrocarbures imbrûlés se trouvant dans l'espace 24. Le matériau diélectrique 38, qui isole l'électrode 40 de la chambre de combustion 16, permet d'éviter toute transition de la décharge vers un arc électrique. L'objectif est d'éviter un fort chauffage dans le volume des crevasses qui pourrait entraîner des destructions mécaniques des segments ou de la tête du piston.
La décharge forme ainsi un plasma non thermique appelé décharge à barrière diélectrique. L'électrode de masse est constituée par la partie métallique du moteur qui est la plus proche de l'électrode 40. Dans l'exemple illustré la hauteur de la couronne de matériau diélectrique 38 est choisie afin que l'électrode de masse comprenne la partie supérieure du piston 12.
Préférentiellement on utilise une alimentation électrique qui génère des impulsions de tension carrées. La tension électrique maximale appliquée à l'électrode haute tension est comprise entre 1 et 100kV, de ls préférence 50kV. L'alimentation électrique peut alimenter le système plusieurs fois lorsque le piston est au voisinage du point mort haut.
La fréquence de la tension électrique appliquée à l'électrode 40 est comprise entre 1 et 10kHz de manière à créer plusieurs pulses de tension lorsque le piston est au voisinage du point mort haut. En effet, pour une vitesse de rotation du moteur assez élevée de l'ordre de 4000tr/min, une fréquence de 10kHz assure 10 pulses de tension sur une durée de 1 ms correspondant à 20 degrés vilebrequin autour du point mort haut (c'est à dire 10 degrés avant le point mort haut et 10 degrés après).
Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'ensemble formé du matériau diélectrique 38 et de l'électrode 40 est positionné dans la partie basse de la paroi du cylindre 14 afin de créer le plasma en un point adjacent au piston lorsqu'il se trouve dans sa position du point mort bas. Dans ce cas, le plasma est créé dans des conditions thermodynamiques de plus faible pression et température que dans le premier mode de fonctionnement présenté ci-dessus ce qui diminue l'énergie électrique nécessaire pour initier le plasma. Dans ce mode de fonctionnement de l'invention, l'idée est d'oxyder partiellement les hydrocarbures pendant qu'ils sont dans la chambre de combustion 16, avant leur évacuation avec les gaz brûlés dans le circuit d'échappement.
Cette oxydation partielle des hydrocarbures peut par exemple être utilisée pour remplacer une des fonctions catalytiques d'un procédé de post-traitement usuel ou pour permettre de traiter les hydrocarbures imbrûlés dans les phases de démarrage, phases pendant lesquelles les systèmes de post-traitement usuels sont inefficaces.
Le dispositif d'oxydation selon l'invention peut comprendre plusieurs électrodes 40 indépendantes, par exemple quatre, disposés de manière équidistante autour de la paroi 26 du cylindre 14.

Claims (5)

REVENDICATIONS,
1. Dispositif d'oxydation des hydrocarbures présents dans une chambre de combustion (16) d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un piston (12) susceptible de se déplacer dans un cylindre (14) et muni d'une surface supérieure (25) délimitant la chambre de combustion, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une électrode (40) montée dans la paroi (26) du cylindre (14) destinée lo à créer une décharge électrique à l'intérieur de la chambre de combustion, l'électrode étant disposée en un point adjacent à la position de la surface supérieure (25) du piston lorsque celui-ci se trouve dans une position extrême de son cycle de fonctionnement.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la position extrême du cycle est le point mort haut.
3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la position extrême du cycle est le point mort bas.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électrode (40) a une forme sensiblement annulaire le dispositif comprenant de plus un matériau diélectrique (38) isolant l'électrode de la chambre de combustion (16).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs électrodes (40) disposés de manière équidistante autour de la paroi (26) du cylindre (14), le dispositif comprenant de plus un matériau diélectrique (38) isolant les électrodes de la chambre de combustion (16).
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