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PRECHAMBRE D'ALLUMAGE A CLAPET
La présente invention a pour objet une préchambre d'allumage à clapet qui
permet
d'allumer une charge principale introduite dans la chambre de combustion d'un
moteur
thermique à combustion interne au moyen d'une charge pilote mise à feu par une
étincelle,
ladite préchambre 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.
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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 stoechiométrie desdits moteurs
opérant en
excès d'air dits aussi à mélange pauvre .
Les moteurs opérant à la stoechiométrie 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 stoechiométrique, c'est à dire qu'elle
contienne la juste
quantité d'oxygène nécessaire à la combustion des hydrocarbures contenus dans
ladite
charge.
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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 stoechiométrie 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.
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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
stoechiométrique 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.
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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,
5 .. 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
lnstitute 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'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
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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
stoechiométrique, 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 Al appartenant à la société
Bosch .
En tout état de cause, le brevet N U56564770 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.
II 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.
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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 Al des
inventeurs Radu Oprea et Edward Rakosi, ou encore le brevet N US 2012/0103302
Al de
l'inventeurWilliam 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.
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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 peut s'avérer insatisfaisante 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 protubérant
qui pénètre
suffisamment dans la chambre de combustion du moteur pour que les trous
qu'expose ledit
dôme et par lesquels sont éjectés les gaz brûlants pour former des torches
soient
positionnés suffisamment à l'intérieur de ladite chambre pour que lesdites
torches ne
lèchent pas les parois internes froides dudit moteur.
Or, dès que la combustion est initialisée dans la préchambre, les gaz contenus
dans cette
dernière montent rapidement en pression et sont éjectés à haute vitesse par
lesdits trous.
Ce faisant, lesdits gaz chauffent ledit dôme.
Une fois initialisée la combustion de la charge principale, la pression
régnant dans la
chambre de combustion du moteur devient rapidement supérieure à celle régnant
dans la
préchambre de sorte que des gaz chauds repassent en sens inverse au travers
des trous
du dôme, chauffant encore ce dernier.
Lors de la détente des gaz par le piston du moteur à allumage commandé, la
pression
régnant dans ladite préchambre redevient supérieure à celle régnant dans la
chambre de
combustion du moteur. En conséquence, les gaz chauds contenus dans la
préchambre
repassent une troisième fois au travers des dits trous, surchauffant encore
ledit dôme.
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Or, à partir d'une certaine température, le dôme protubérant 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 0HD4226 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.
Il faut donc impérativement que la préchambre 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 ladite préchambre
susceptible de
déclencher un auto-allumage, mais ceci doit être fait sans trop 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.
En outre, on note que 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.
Ainsi, du fait de son coût énergétique non-négligeable, à même efficacité
d'allumage, plus
la masse et la pression de la charge pilote sont petites 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 par tous moyens conférer à la charge
pilote une
efficacité spécifique à allumer la charge principale la plus grande possible,
relativement à
la masse et à la pression de ladite charge pilote.
En d'autres termes, à même efficacité d'allumage, la charge pilote doit
contenir la plus petite
quantité de mélange air-carburant possible, mise préalablement sous la
pression la plus
basse possible.
A ce titre, il faut autant que possible éviter que la charge pilote ne se
disperse dans la
charge principale avant sa mise à feu car une telle dispersion réduit
l'efficacité spécifique
de la charge pilote à allumer la charge principale et ne peut se compenser
qu'en
augmentant la masse de ladite charge pilote, ce qui se fait au détriment du
rendement
énergétique du moteur à allumage commandé.
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La dispersion résulte notamment du temps dont l'injecteur qui introduit la
charge pilote dans
la préchambre a besoin pour réaliser l'injection de ladite charge pilote sous
une pression
nécessairement supérieure à celle de la charge principale.
5 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
10 vitesse d'éjection des gaz constitutifs de la charge pilote par
l'injecteur est plus grande en
début d'injection qu'en fin d'injection.
Avant l'injection de la charge pilote, la pression dans la préchambre est
inférieure à celle
régnant dans la chambre de compression du moteur. Une partie de la charge
principale
entre donc d'abord dans ladite préchambre au fur et à mesure qu'est comprimée
ladite
charge.
Puis, l'injecteur injecte dans la préchambre la charge pilote ce se mélange
avec la fraction
de la charge principale qui présente une forte teneur en EGR et qui a été
préalablement
introduite dans ladite préchambre.
La masse de gaz excédentaire due à ladite fraction est alors expulsée hors de
la
préchambre avec une partie de la charge pilote, laquelle se trouve mélangée
avec des gaz
à forte teneur en EGR dans et hors de la préchambre.
L'inflammabilité du mélange ainsi constitué d'air, de carburant et d'EGR est
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 trouve réduite
de même que l'efficacité des torches de gaz brûlants à mettre à feu la charge
principale.
Cette baisse d'efficacité ne peut 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.
Ceci ne remet en rien en cause le fait qu'il serait très avantageux
d'améliorer le dispositif
décrit par le brevet N FR 2 986 564. En effet, ledit dispositif s'est révélé
efficace à 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.
L'objectif serait de donner audit dispositif 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.
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Comme précédemment évoqué, 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 notoires voire rédhibitoires d'une telle dite préchambre. Pour cela,
il faut améliorer
significativement l'efficacité de ladite préchambre ce qui implique notamment
d'éviter qu'elle
ne se comporte comme une boule chaude , d'éviter que la charge pilote ne
soit
dispersée dans la chambre principale, et de limiter la quantité d'énergie
nécessaire à
comprimer ladite charge pilote à même efficacité d'allumage.
L'ensemble de ces objectifs est adressé par la préchambre d'allumage à clapet
selon
l'invention qui - suivant un mode particulier de réalisation - permet :
= De réduire fortement la charge thermique à laquelle est soumis le dôme
protubérant
qu'expose la préchambre, ceci en divisant approximativement par trois le
nombre de
passage des gaz brûlants au travers des trous que présente ledit dôme et par
lesquels
sont éjectés lesdits gaz, et ceci afin d'éviter que ledit dôme ne soit porté à
trop haute
température et ne constitue un point chaud susceptible de provoquer l'auto-
inflammation intempestive de la charge principale ;
= De minimiser la masse et la pression de la charge pilote nécessaire non
seulement à
l'initialisation de la combustion de charges principales fortement diluées à
l'EGR, mais
aussi au développement rapide de ladite combustion jusqu'à ce que
l'intégralité
desdites charges principales soient brûlées ;
= Au service de ce dernier objectif, d'éviter la dispersion de la charge
pilote dans la charge
principale durant l'injection de ladite charge pilote dans la préchambre.
Pour atteindre ces objectifs, la préchambre d'allumage à clapet selon
l'invention prévoit :
= De maintenir la préchambre fermée lorsque la pression qui y règne est
inférieure à celle
régnant dans la chambre de combustion, ceci afin d'éviter des allers-retours
intempestifs des gaz brûlants au travers des trous que présente le dôme
protubérant et
par lesquels ladite préchambre communique avec ladite chambre ;
= De maintenir la préchambre fermée pendant l'essentiel du temps
d'injection de la
charge pilote de sorte que ladite injection s'opère dans un espace clos dans
lequel les
gaz de ladite charge pilote ne peuvent pas se mélanger avec les gaz de la
charge
principale ;
= D'abaisser la masse et la pression d'injection de la charge pilote tout
en conservant une
pression et une vitesse d'éjection des gaz brûlants élevées au travers des
trous que
présente le dôme protubérant.
La préchambre d'allumage à clapet 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.
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Il est entendu que la préchambre d'allumage à clapet selon l'invention peut
s'appliquer à
tout moteur à allumage commandé à combustion interne rotatif ou linéaire, 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 d'allumage
à clapet 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.
Les autres caractéristiques de la présente invention ont été décrites dans la
description et
dans les revendications secondaires dépendantes directement ou indirectement
de la
revendication principale.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention est prévue
pour un moteur
à combustion interne lequel comporte une culasse qui coiffe un cylindre pour
former une
chambre de combustion dans laquelle peut être brûlée une charge principale,
ladite
préchambre comprenant :
= Au moins une cavité de stratification qui d'une part, est aménagée dans la
culasse et
est reliée à la chambre de combustion par un conduit de stratification et qui
d'autre
part, reçoit un injecteur de stratification qui peut directement ou
indirectement injecter
dans ladite cavité une charge pilote préalablement mise sous pression par des
moyens
de compression, ladite charge étant constituée d'un mélange comburant-
carburant AF
facilement inflammable au moyen d'une étincelle ;
= Des moyens d'allumage qui débouchent dans la cavité de stratification et
qui peuvent
mettre à feu la charge pilote ;
= Un clapet de stratification qui peut obturer en tout ou partie le conduit
de stratification
et qui expose d'une part, une face côté cavité soumise à la pression des gaz
régnant
dans la cavité de stratification et d'autre part, une face côté chambre
soumise à la
pression des gaz régnant dans la chambre de combustion, ledit clapet de
stratification
pouvant translater par rapport audit conduit sous l'effet de la pression des
gaz soit en
direction de la cavité de stratification lorsque ladite pression régnant dans
cette
dernière est inférieure à la pression régnant dans la chambre de combustion,
soit en
direction de ladite chambre lorsque la pression régnant dans cette dernière
est
inférieure à la pression régnant dans cavité de stratification ;
= Au moins une butée de clapet côté cavité qui détermine la position du clapet
de
stratification la plus proche de la cavité de stratification ;
= Au moins une butée de clapet côté chambre qui détermine la position du
clapet de
stratification la plus proche de la chambre de combustion.
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La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
clapet de
stratification qui obture en tout ou partie le conduit de stratification
lorsqu'il est au plus
proche de la cavité de stratification tandis qu'il ouvre ledit conduit sur une
plus large section
lorsqu'il est positionné au plus proche de la chambre de combustion.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend une
butée de
clapet côté cavité qui est constituée d'un siège d'obturation de clapet
aménagé dans le
conduit de stratification ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit,
ledit siège
coopérant avec une portée de clapet côté cavité que présente le clapet de
stratification en
sa périphérie et/ou en son extrémité.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
siège
d'obturation de clapet et une portée de clapet côté cavité 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 à la pression qui règne dans la cavité de stratification.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend une
butée de
clapet côté chambre qui est constituée d'un siège d'ouverture de clapet
aménagé dans le
conduit de stratification ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit,
ledit siège
coopérant avec une portée de clapet côté chambre que présente le clapet de
stratification
en sa périphérie et/ou en son extrémité.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
siège
d'ouverture de clapet et une portée de clapet côté chambre 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 préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
clapet de
stratification qui comporte en son pourtour des moyens de guidage qui
maintiennent ledit
clapet approximativement centré dans le conduit de stratification, et
approximativement
dans la même orientation longitudinale que ledit conduit et ceci, quelle que
soit la position
axiale dudit clapet par rapport audit conduit.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention prévoit que
lorsque le
siège d'ouverture de clapet et la portée de clapet côté chambre sont au
contact l'un de
l'autre, le clapet de stratification forme avec le conduit de stratification
une préchambre
d'allumage par torche qui communique simultanément d'une part, avec la cavité
de
stratification, et d'autre part, avec la chambre de combustion par
l'intermédiaire d'au moins
un orifice d'éjection des gaz.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend une
paroi
périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche qui est
cylindrique tandis que
le clapet de stratification présente une périphérie circulaire et est logé à
faible jeu radial
dans ladite préchambre.
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La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
conduit de
stratification qui débouche en saillie dans la chambre de combustion sous la
forme d'un
dôme d'éjection protubérant qui héberge la préchambre d'allumage par torche et
duquel
débouche l'orifice d'éjection des gaz.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
siège
d'ouverture de clapet qui est aménagé dans le dôme d'éjection protubérant.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention prévoit que
lorsque le
clapet de stratification est positionné proche de la chambre de combustion
c'est à dire au
voisinage voire au contact de la butée de clapet côté chambre avec laquelle il
coopère, ledit
clapet découvre au moins un orifice d'éjection des gaz qui met en relation la
cavité de
stratification avec la chambre de combustion.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend des
moyens
d'allumage qui sont constitués d'une bougie d'allumage qui ferme la première
extrémité
d'un tube de liaison ajouré qui traverse tout ou partie du volume interne de
la cavité de
stratification et dont le corps est radialement traversé par au moins une
lumière radiale qui
met en relation l'intérieur dudit tube avec ledit volume interne, tandis que
la deuxième
extrémité dudit tube reçoit le conduit de stratification et le clapet de
stratification, et
cependant que l'électrode centrale et l'électrode de masse de ladite bougie
sont logées à
l'intérieur du tube de liaison ajouré.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend une
face côté
cavité qui expose un dôme aérodynamique.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend une
face côté
cavité qui forme une électrode de masse qui fait face à une électrode centrale
que comporte
une bougie d'allumage cette dernière constituant les moyens d'allumage.
La préchambre d'allumage à clapet suivant la présente invention comprend un
clapet de
stratification qui est axialement plus épais en sa périphérie laquelle reçoit
la portée de clapet
côté cavité et la portée de clapet côté chambre, qu'en son centre.
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 préchambre d'allumage à clapet
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 préchambre d'allumage à clapet
suivant
l'invention dont le clapet de stratification peut totalement fermer le conduit
de stratification
lorsque la portée de clapet côté cavité que présente ledit clapet de
stratification est au
contact du siège d'obturation de clapet avec lequel elle coopère, tandis que
ledit clapet de
stratification forme une préchambre d'allumage par torche qui est logée dans
un dôme
d'éjection protubérant lorsque ledit clapet repose sur sa butée de clapet côté
chambre.
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Figures 3 à 8 sont des vues rapprochées partielles en coupe schématique de la
préchambre
d'allumage à clapet suivant l'invention et selon la configuration particulière
montrée en
figure 2, lesdites vues rapprochées illustrant diverses phases de
fonctionnement de ladite
5 préchambre.
Figure 9 est une vue en coupe schématique de la préchambre d'allumage à clapet
suivant
l'invention reprenant les caractéristiques principales montrée en figure 2
auxquelles s'ajoute
un tube de liaison ajouré radialement traversé par des lumières radiales,
ledit tube
10 .. traversant le volume interne de la cavité de stratification et faisant
partie intégrante d'une
bougie d'allumage, cependant que la face côté cavité du clapet de
stratification forme une
électrode de masse qui fait face à une électrode centrale que comporte ladite
bougie.
Figure 10 est une vue tridimensionnelle de la préchambre d'allumage à clapet
suivant
15 l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 9.
Figure 11 est une vue tridimensionnelle en coupe longitudinale brisée de la
préchambre
d'allumage à clapet suivant l'invention et selon la variante de réalisation
montrée en
figure 9.
Figure 12 est une vue tridimensionnelle éclatée de la préchambre d'allumage à
clapet
suivant l'invention et selon la variante de réalisation montrée en figure 9.
DESCRIPTION DE L'INVENTION :
On a montré en figures 1 à 12 la préchambre d'allumage à clapet 1, divers
détails de ses
composants, ses variantes, et ses accessoires.
On a vu en figure 1 que la préchambre d'allumage à clapet 1 est spécialement
prévue pour
un moteur à combustion interne 2 lequel comporte une culasse 3 qui coiffe un
cylindre 4
pour former avec un piston 31 une chambre de combustion 5 dans laquelle peut
être brûlée
une charge principale 30.
On remarque en figures 1 à 12 que la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant
l'invention
comprend au moins une cavité de stratification 6 qui d'une part, est aménagée
dans la
culasse 3 et est reliée à la chambre de combustion 5 par un conduit de
stratification 7 et
qui d'autre part, reçoit un injecteur de stratification 8 qui peut directement
ou indirectement
injecter dans ladite cavité 6 une charge pilote 9 préalablement mise sous
pression par des
moyens de compression 10.
La charge pilote 9 est selon l'invention constituée d'un mélange comburant-
carburant AF
facilement inflammable au moyen d'une étincelle.
En figure 1, 2 et 9, on voit l'injecteur de stratification 8 que prévoit la
préchambre d'allumage
à clapet 1 suivant l'invention et qui peut, directement ou indirectement via
un conduit de
sortie d'injecteur 28, injecter la charge pilote 9 dans la cavité de
stratification 6.
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L'injecteur de stratification 8 peut être de tout type sans restriction, et
être constitué de tout
appareil capable d'introduire dans la cavité de stratification 6 selon quelque
mode
opératoire que ce soit une charge pilote 9 et ceci, que le mélange comburant-
carburant AF
que contient ladite charge 9 soit formé en amont ou en aval dudit injecteur de
stratification
8 avec le concours éventuel d'un autre injecteur soit de gaz, soit de liquide,
ou avec le
concours d'un carburateur connu en soi.
En outre, la cavité de stratification 6 et le conduit de stratification 7
peuvent
avantageusement être revêtus d'un matériau réfractaire connu en soi, ou être
faits dudit
matériau. A titre de variante, une lame d'air peut être laissée entre au moins
une partie de
la cavité de stratification 6 et/ou du conduit de stratification 7 d'une part,
et la culasse 3 qui
reçoit ces composants 6, 7 d'autre part, de sorte à limiter les échanges de
chaleur entre
lesdits composants 6, 7 et ladite culasse 3.
On remarque aussi en figures 1 à 12 que la préchambre d'allumage à clapet 1
suivant
l'invention comprend des moyens d'allumage 11 qui débouchent dans la cavité de
stratification 6 et qui peuvent mettre à feu la charge pilote 9, lesdits
moyens 11 pouvant être
constitués d'une bougie d'allumage 12 connue en soi.
Toujours en figures 1 à 12, on remarque que la préchambre d'allumage à clapet
1 suivant
l'invention comprend un clapet de stratification 13 qui peut obturer en tout
ou partie le
conduit de stratification 7 et qui expose d'une part, une face côté cavité 14
soumise à la
pression des gaz régnant dans la cavité de stratification 6 et d'autre part,
une face côté
chambre 15 soumise à la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion
11.
On note que ledit clapet de stratification 13 peut translater par rapport au
conduit de
stratification 7 sous l'effet de la pression des gaz soit en direction de la
cavité de
stratification 6 lorsque ladite pression régnant dans cette dernière est
inférieure à la
pression régnant dans la chambre de combustion 5, soit en direction de ladite
chambre 5
lorsque la pression régnant dans cette dernière est inférieure à la pression
régnant dans
cavité de stratification 6.
On remarquera que le clapet de stratification 13 peut aussi se déplacer dans
le conduit de
stratification 7 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.
On peut souligner que le clapet de stratification 13 peut être réalisé en
superalliage résistant
à la température et rester le plus léger possible, ou en matériau céramique
tel que du
carbure de silicium.
Outre ce qui vient d'être décrit, on remarque que la préchambre d'allumage à
clapet 1
suivant l'invention comprend au moins une butée de clapet côté cavité 16 qui
détermine la
position du clapet de stratification 13 la plus proche de la cavité de
stratification 6. Ceci est
particulièrement visible en figures 3 à 8.
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De plus, la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant l'invention comprend au
moins une
butée de clapet côté chambre 17 qui détermine la position du clapet de
stratification 13 la
plus proche de la chambre de combustion 5.
.. A titre de variante de la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant
l'invention, on notera que
le clapet de stratification 13 peut obturer en tout ou partie le conduit de
stratification 7
lorsqu'il est au plus proche de la cavité de stratification 6 tandis qu'il
ouvre ledit conduit 7
sur une plus large section lorsqu'il est positionné au plus proche de la
chambre de
combustion 5.
En figures 3 à 8 notamment, on remarque que la butée de clapet côté cavité 16
peut être
constituée d'un siège d'obturation de clapet 18 aménagé dans le conduit de
stratification 7
ou à l'une quelconque des extrémités dudit conduit 7, ledit siège 18 coopérant
avec une
portée de clapet côté cavité 19 que présente le clapet de stratification 13 en
sa périphérie
.. et/ou en son extrémité.
Il faut d'ailleurs préciser que le siège d'obturation de clapet 18 et la
portée de clapet côté
cavité 19 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 5 est supérieure à la pression qui règne
dans la
cavité de stratification 6.
A titre d'autre variante, la butée de clapet côté chambre 17 peut être
constituée d'un siège
d'ouverture de clapet 20 aménagé dans le conduit de stratification 7 ou à
l'une quelconque
des extrémités dudit conduit 7, ledit siège 32 coopérant avec une portée de
clapet côté
chambre 21 que présente le clapet de stratification 13 en sa périphérie et/ou
en son
extrémité.
En ce cas, le siège d'ouverture de clapet 20 et la portée de clapet côté
chambre 21 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.
Les figures 3 à 8 et la figure 12 montrent clairement que le clapet de
stratification 13 peut
comporter en son pourtour des moyens de guidage 22 qui maintiennent ledit
clapet 13
approximativement centré dans le conduit de stratification 7, et
approximativement dans la
même orientation longitudinale que ledit conduit 7 et ceci, quelle que soit la
position axiale
dudit clapet 13 par rapport audit conduit 7.
En figures 2, 3, 6, 8 et 9, on remarque que lorsque le siège d'ouverture de
clapet 20 et la
portée de clapet côté chambre 21 sont au contact l'un de l'autre, le clapet de
stratification
13 peut former avec le conduit de stratification 7 une préchambre d'allumage
par torche 23
qui communique simultanément d'une part, avec la cavité de stratification 6,
et d'autre part,
avec la chambre de combustion 5 par l'intermédiaire d'au moins un orifice
d'éjection des
gaz 24.
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Dans ce contexte particulier de la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant
l'invention, la
paroi périphérique interne de la préchambre d'allumage par torche 23 peut être
cylindrique
tandis que le clapet de stratification 13 présente une périphérie circulaire
et est logé à faible
jeu radial dans ladite préchambre 23 de sorte qu'un faible jeu radial est
laissé entre ledit
clapet 13 et ladite paroi quelle que soit la position dudit clapet 13 par
rapport à ladite
préchambre 23, ledit faible jeu formant un passage restreint qui freine le
passage des gaz
entre la cavité de stratification 6 et la chambre de combustion 5.
On voit en figures 1 à 12 que selon un mode particulier de réalisation de la
préchambre
d'allumage à clapet 1 suivant l'invention, le conduit de stratification 7 peut
déboucher en
saillie dans la chambre de combustion 5 sous la forme d'un dôme d'éjection
protubérant 25
qui héberge la préchambre d'allumage par torche 23 et duquel débouche
l'orifice d'éjection
des gaz 24.
On note que l'orifice d'éjection des gaz 24 peut être plus ou moins orienté
vers la chambre
de combustion 5 et sortir plus ou moins tangentiellement à la périphérie du
dôme d'éjection
protubérant 25. En outre, la géométrie de l'orifice d'éjection des gaz 24 peut
varier selon
que le jet de gaz sortant dudit orifice 24 est prévu plutôt directif, ou
plutôt diffus. A titre
d'exemple, l'orifice d'éjection des gaz 24 peut être cylindrique, conique, ou
encore former
un convergent ou un divergent.
Avantageusement et comme montré en figures 1 à 12, le siège d'ouverture de
clapet 20
peut être aménagé dans le dôme d'éjection protubérant 25, ce dernier pouvant
être revêtu
d'un matériau antifriction et/ou anti-adhérent et/ou réfractaire connu en soi,
ou être fait dudit
matériau.
Au sens général, on comprend que lorsque le clapet de stratification 13 est
positionné
proche de la chambre de combustion 5 c'est à dire au voisinage voire au
contact de la butée
de clapet côté chambre 17 avec laquelle il coopère, ledit clapet 13 peut
découvrir au moins
un orifice d'éjection des gaz 24 qui met en relation la cavité de
stratification 6 avec la
chambre de combustion 5.
Comme le montrent les figures 9 à 12, les moyens d'allumage 11 peuvent être
constitués
d'une bougie d'allumage 12 qui ferme la première extrémité d'un tube de
liaison ajouré 26
qui traverse tout ou partie du volume interne de la cavité de stratification 6
et dont le corps
est radialement traversé par au moins une lumière radiale 27 qui met en
relation l'intérieur
dudit tube 26 avec ledit volume interne, tandis que la deuxième extrémité
dudit tube 26
reçoit le conduit de stratification 7 et le clapet de stratification 13, et
cependant que
l'électrode centrale 40 et l'électrode de masse 39 de ladite bougie 12 sont
logées à
l'intérieur du tube de liaison ajouré 26.
On remarque en figures 9 à 12 que le tube de liaison ajouré 26 peut faire
partie de la bougie
d'allumage 12 dont il prolonge le culot. En ce cas, la bougie d'allumage 12
est directement
vissée dans la culasse 3 au moyen d'un filetage réalisé sur la face
cylindrique externe de
.. son culot et/ou sur la face cylindrique externe du tube de liaison ajouré
26 qui la prolonge.
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A titre d'alternative, la bougie d'allumage 12 peut être vissée dans ledit
tube 26 cependant
que ce dernier est vissé dans la culasse 3. Dans tous les cas, une étanchéité
est réalisée
entre la culasse 3 d'une part et la bougie d'allumage 12 et/ou le tube de
liaison ajouré 26
d'autre part, tant au niveau de ladite bougie 12 qu'au niveau du conduit de
stratification 7.
Les figures 9 à 12 illustrent que la face côté cavité 14 peut exposer un dôme
aérodynamique
29 qui permet notamment de diriger le flux de gaz vers le ou les orifices
d'éjection des gaz
24 en offrant audit flux le moins de résistance possible et en générant dans
ledit flux le
moins de turbulences possibles.
On voit en figures 1 à 12 que selon un mode particulier de réalisation de la
préchambre
d'allumage à clapet 1 suivant l'invention, la face côté cavité 14 peut former
une électrode
de masse 39 qui fait face à une électrode centrale 40 que comporte une bougie
d'allumage
12 cette dernière constituant les moyens d'allumage 11, un arc électrique
pouvant se former
entre ladite électrode de masse 39 et ladite électrode centrale 40 lorsque un
courant à haute
tension passe de ladite électrode centrale 40 à ladite électrode de masse 39.
Les figures 1 à 12 illustrent en outre que le clapet de stratification 13 peut
être axialement
plus épais en sa périphérie laquelle reçoit la portée de clapet côté cavité 19
et la portée de
clapet côté chambre 21, qu'en son centre.
Cette particularité confère audit clapet 13 une épaisseur radiale qui va
croissante depuis le
centre dudit clapet 13 vers la périphérie de ce dernier, de sorte que ledit
clapet 13 soit à la
fois le plus léger possible et le plus résistant aux chocs possibles, tout en
assurant son
refroidissement le plus efficacement possible au niveau du contact entre ses
portées de
clapet 19,21 et les sièges 18,20 avec lesquels coopèrent lesdites portées 19,
21.
FONCTIONNEMENT DE L'INVENTION :
Le fonctionnement de la préchambre d'allumage à clapet 1 selon l'invention se
comprend
aisément à la vue des figures 1 à 12.
On voit que selon l'exemple non-limitatif d'application de la préchambre
d'allumage à clapet
1 selon l'invention montré en figure 1, ladite préchambre 1 est mise en oeuvre
dans un
moteur à combustion interne 2 qui comporte une culasse 3 qui coiffe un
cylindre 4 pour
former avec un piston 31 une chambre de combustion 5 dans laquelle peut être
brûlée une
charge principale 30.
On remarque que le piston 31 est relié à un vilebrequin 37 par l'intermédiaire
d'une bielle
38, ledit piston 31 imprimant audit vilebrequin 37 un mouvement de rotation
lorsque ledit
piston 31 est animé d'un mouvement de translation alternatif dans le cylindre
4.
On voit également en figure 1 que la chambre de combustion 5 peut être mise en
communication avec un conduit d'admission 32 par une soupape d'admission 34
tandis que
ladite chambre 5 peut être mise en communication avec un conduit d'échappement
33 par
une soupape d'échappement 35.
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Les figures 1 à 8 qui vont être prises ici en exemple pour illustrer le
fonctionnement de la
préchambre d'allumage à clapet 1 selon l'invention montrent que ladite
préchambre 1 est
intégrée à la culasse 3. Lesdites figures 1 à 8 montrent également que les
moyens
d'allumage 11 sont ici constitués d'une bougie d'allumage 12 connue en soi et
dont les
5 électrodes débouchent dans la cavité de stratification 6. On remarque
aussi en figures 1 et
2 l'injecteur de stratification 8 qui peut injecter une charge pilote 9 dans
la cavité de
stratification 6 via un conduit de sortie d'injecteur 28.
On remarque en figure 1 que préalablement à son injection par l'injecteur de
stratification
10 8, la charge pilote 9 constituée d'un mélange comburant-carburant AF
facilement
inflammable a été mise sous pression par un compresseur de stratification 36
qui forme les
moyens de compression 10. Ceci constitue également un exemple non-limitatif de
réalisation de la préchambre d'allumage à clapet 1 selon l'invention, pris ici
à titre d'exemple
pour en illustrer le fonctionnement.
Pour illustrer le fonctionnement de la préchambre d'allumage à clapet 1 selon
l'invention,
nous supposerons ici que le rapport volumétrique du moteur à combustion
interne 2 - hors
volume de la préchambre d'allumage à clapet 1 - est de quatorze pour un. Pour
obtenir ce
résultat, on a prévu un volume balayé par le piston 31 de cinq cent
centimètres-cube tandis
que le volume de la chambre de combustion 5 est de trente huit virgule cinq
centimètres-
cube.
En outre et à titre d'exemple non-limitatif, le volume de la préchambre
d'allumage à clapet
1 - y-inclus le volume du conduit de stratification 7 et celui du conduit de
sortie d'injecteur
28 - est ici de un demi centimètre-cube.
Pour détailler le fonctionnement de la préchambre d'allumage à clapet 1 selon
l'invention,
nous en retiendrons ici l'exemple de réalisation montré en figures 1 à 8 sur
lesquelles on
constate que la butée de clapet côté cavité 16 est constituée d'un siège
d'obturation de
clapet 18 aménagé dans le conduit de stratification 7, ledit siège 18
coopérant avec une
portée de clapet côté cavité 19 que présente le clapet de stratification 13 en
sa périphérie.
On a choisi ici que le siège d'obturation de clapet 18 et la portée de clapet
côté cavité 19
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 5 est supérieure à la pression qui règne dans la
cavité de
stratification 6.
On notera aussi que pour illustrer le fonctionnement de la préchambre
d'allumage à clapet
1 selon l'invention, on a aussi prévu que la butée de clapet côté chambre 17
est constituée
d'un siège d'ouverture de clapet 20 aménagé dans le conduit de stratification
7, ledit siège
32 coopérant avec une portée de clapet côté chambre 21 que présente le clapet
de
stratification 13 en sa périphérie. Cette configuration particulière est bien
visible en figures
3 à 8.
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Dans ce contexte particulier, on aura prévu que le siège d'ouverture de clapet
20 et la portée
de clapet côté chambre 21 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.
Particulièrement en figures 2, 3, 6 et 8, on remarquera aussi que lorsque le
siège
d'ouverture de clapet 20 et la portée de clapet côté chambre 21 sont au
contact l'un de
l'autre, le clapet de stratification 13 forme avec le conduit de
stratification 7 une préchambre
d'allumage par torche 23 de forme annulaire, ladite préchambre 23 communiquant
simultanément d'une part, avec la cavité de stratification 6, et d'autre part,
avec la chambre
de combustion 5 par l'intermédiaire de plusieurs orifices d'éjection des gaz
24.
On remarque par ailleurs que la paroi périphérique interne de la préchambre
d'allumage
par torche 23 est cylindrique tandis que le clapet de stratification 13
présente une périphérie
circulaire et est logé à faible jeu radial dans ladite préchambre 23 de sorte
qu'un faible jeu
radial est laissé entre ledit clapet 13 et ladite paroi quelle que soit la
position dudit clapet
13 par rapport à ladite préchambre 23, ledit faible jeu formant un passage
restreint qui freine
tout passage de gaz - via ledit faible jeu - entre la cavité de stratification
6 et la chambre de
combustion 5.
On remarque aussi en figures 1 à 8 que le conduit de stratification 7 débouche
en saillie
dans la chambre de combustion 5 sous la forme d'un dôme d'éjection protubérant
25 qui
héberge la préchambre d'allumage par torche 23 et duquel débouchent les
orifices
d'éjection des gaz 24 qui, selon cet exemple, sont orientés vers la chambre de
combustion
5. On notera au passage que le siège d'ouverture de clapet 20 est aménagé dans
le dôme
d'éjection protubérant 25.
Accessoirement, on remarque en figures 1 à 8 que la face côté cavité 14 du
clapet de
stratification 13 expose un dôme aérodynamique 29 qui permet notamment de
diriger le flux
de gaz vers les orifices d'éjection des gaz 24 en offrant audit flux le moins
de résistance
possible et en générant dans ledit flux le moins de turbulences possibles.
On remarque aussi que le clapet de stratification 13 est axialement plus épais
en sa
périphérie qu'en son centre. Cette particularité permet audit clapet 13 d'être
à la fois le plus
léger possible et le plus résistant aux chocs possibles, tout en assurant son
refroidissement
le plus efficacement possible un niveau du contact entre ses portées de clapet
19, 21 et les
sièges 18, 20 avec lesquels coopèrent lesdites portées 19, 21. A titre
d'exemple non-
limitatif, le clapet de stratification 13 peut être réalisé dans un
superalliage mécaniquement
et thermiquement hautement résistant.
Selon l'exemple de réalisation de la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant
l'invention
montré en figures 1 à 8 et pris ici à titre d'illustration du fonctionnement
de ladite préchambre
1, nous considèrerons que le diamètre des orifices d'éjection des gaz 24 vaut
douze
centièmes de millimètre tandis que la course totale maximale que peut
parcourir le clapet
de stratification 13 entre le siège d'obturation de clapet 18 et le siège
d'ouverture de clapet
20 vaut quinze centièmes de millimètre.
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Pour comprendre le fonctionnement de la préchambre d'allumage à clapet 1 selon
l'invention, il est ici utile d'en décomposer le fonctionnement durant les
quatre temps du
moteur à combustion interne 2, en relation avec les figures 3 à 8.
Considérons que le moteur à combustion interne 2 opère avec une charge
principale 30
air-essence approximativement stoechiométrique fortement diluée par des gaz
d'échappement recirculés refroidis dits EGR refroidi . Ladite charge 30 est
donc
résistante 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 5.
A ce titre, il est attendu de la charge pilote 9 qui va être mise en oeuvre
par la préchambre
d'allumage à clapet 1 suivant l'invention doit présenter la plus grande
efficacité possible
non seulement à initialiser la combustion de la charge principale 30, mais
aussi à
développer ladite combustion en un temps le plus court possible. Il est
entendu que ces
deux objectifs sont directement servis par la préchambre d'allumage à clapet 1
selon
l'invention.
Selon l'exemple non-limitatif de réalisation de la préchambre d'allumage à
clapet 1 suivant
l'invention pris ici pour en illustrer le fonctionnement, nous supposerons que
la charge pilote
9 contient un virgule six pourcent du carburant que contient la charge
principale 30, ladite
charge pilote 9 étant constituée d'un mélange comburant-carburant AF
facilement
inflammable au moyen d'une étincelle.
Nous décomposerons ici le cycle à quatre temps de Otto ou Beau de Rochas selon
le
séquencement usuel.
En phase d'admission, le piston 31 du moteur à combustion interne 2 descend
dans le
cylindre 4 avec lequel il coopère ce qui a pour effet d'introduire dans ce
dernier une charge
principale 30 en provenance du conduit d'admission 32 et via la soupape
d'admission 34
maintenue ouverte.
Durant ladite phase, la pression qui règne dans la chambre de combustion 5 est
plus basse
que la pression qui règne dans la cavité de stratification 6. En conséquence
et comme le
montre la figure 3, le clapet de stratification 13 reste plaqué sur le siège
d'ouverture de
clapet 20 avec lequel il coopère et la cavité de stratification 6 est mise en
communication
avec la chambre de combustion 5 par les orifices d'éjection des gaz 24 via la
préchambre
d'allumage par torche 23.
Le piston 31 ayant atteint son Point Mort Bas, la soupape la soupape
d'admission 34 se
referme et le piston 31 entame sa remontée dans le cylindre 4, vers son Point
Mort Haut.
Ce faisant, ledit piston 31 comprime la charge principale 30 et la pression
qui règne dans
la chambre de combustion 5 devient plus élevée que celle qui règne dans la
cavité de
stratification 6.
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La différence de pression entre ladite chambre 5 et ladite cavité 6 s'accroît
d'autant plus
rapidement que d'une part, la section des orifices d'éjection des gaz 24 est
faible et que
d'autre part, un faible jeu radial est laissé entre le clapet de
stratification 13 et la paroi
interne de la préchambre d'allumage par torche 23, quelle que soit la position
dudit clapet
13 par rapport à ladite préchambre 23.
Pour aller de la chambre de combustion 5 à la cavité de stratification 6, les
gaz constitutifs
de la charge principale 30 n'ont pratiquement d'autre passage que celui que
constituent les
orifices d'éjection des gaz 24.
Ces derniers ne laissant qu'une section de passage limitée auxdits gaz, la
différence entre
la pression exercée sur la face côté cavité 14 et celle exercée sur la face
côté chambre 15
s'accroît, ce qui a pour effet de plaquer le clapet de stratification 13 sur
le siège d'obturation
de clapet 18 avec lequel il coopère. Cette situation est clairement illustrée
par la figure 4.
On notera que le temps nécessaire au clapet de stratification 13 pour d'une
part, rompre le
contact qu'il forme avec le siège d'ouverture de clapet 20 avec lequel il
coopère et d'autre
part, entrer en contact avec le siège d'obturation de clapet 18, vaut quelques
degrés de
rotation du vilebrequin 37 voire un ou deux degrés seulement de ladite
rotation, ces valeurs
n'étant données qu'à titre indicatif.
Ce faisant, le clapet de stratification 13 obture le conduit de stratification
7 et la chambre de
combustion 5 ne communique plus avec la cavité de stratification 6. La
pression qui
continue à augmenter dans la chambre de combustion 5 du fait de la montée du
piston 31
dans le cylindre 4 n'a plus de conséquence sur la pression qui règne dans la
cavité de
stratification 6, ladite pression restant stable.
Quelques degrés de vilebrequin après que le clapet de stratification 13 ait
obturé le conduit
de stratification 7, l'injecteur de stratification 8 commence à injecter la
charge pilote 9 dans
la cavité de stratification 6. Cette situation est illustrée en figure 5. La
température des gaz
constitutifs de ladite charge 9 est selon cet exemple de l'ordre de quatre-
vingt degrés.
Le débit de l'injecteur a été calculé pour que la pression qui règne dans la
cavité de
stratification 6 reste toujours plus basse que celle qui règne dans la chambre
de combustion
5 de sorte que le clapet de stratification 13 ne décolle jamais du siège
d'obturation de clapet
18 avec lequel il coopère via sa portée de clapet côté cavité 19.
Quelques degrés de vilebrequin 37 avant le Point Mort Haut du piston 31, la
pression
régnant dans la chambre de combustion 5 et à laquelle est soumise la charge
principale 30
a atteint près de quarante bars cependant que la pression dans la cavité de
stratification 6
a atteint vingt bars. L'injecteur de stratification 8 cesse d'injecter la
charge pilote 9 dans la
cavité de stratification 6.
Le piston 31 arrivant au voisinage de son Point Mort Haut et comme l'illustre
la figure 6, un
courant haute-tension est appliqué aux bornes de la bougie d'allumage 12.
Cette dernière
met à feu la charge pilote 9 contenue dans la cavité de stratification 6.
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On remarquera d'ailleurs que la pression de seulement vingt bars régnant dans
ladite cavité
6 a permis de n'appliquer qu'une tension modérée aux bornes de la bougie
d'allumage 12.
Comme le montre la figure 6, la charge pilote 9 étant constituée d'un mélange
comburant-
carburant AF facilement inflammable, la flamme initialisée par la bougie
d'allumage 12 se
propage très rapidement dans la charge pilote 9 dont la température augmente
tout aussi
rapidement, de même que la pression régnant dans la cavité de stratification
6.
Lorsque ladite pression atteint par exemple quarante cinq bars - c'est à dire
cinq bars de
plus que la pression qui règne dans la chambre de combustion 5, le clapet de
stratification
13 a déjà parcouru les quinze centièmes de millimètre. Ce faisant, ledit
clapet 13 a décollé
de son contact avec le siège d'obturation de clapet 18, puis est venu se
reposer sur le siège
d'ouverture de clapet 20. Cette situation est également montrée en figure 6.
Pendant son parcours, le clapet de stratification 13 a progressivement
découvert les orifices
d'éjection des gaz 24, et les gaz brûlants en provenance de la cavité de
stratification 6 - qui
ont été par exemple portés à une température de quelque deux mille degrés
Celsius - ont
commencé à être éjectés sous forme de torches par lesdits orifices 24, via la
préchambre
d'allumage par torche 23, et au niveau du dôme d'éjection protubérant 25. On a
illustré en
figure 6 cet effet prévu par la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant
l'invention.
La pression continuant à monter dans la cavité de stratification 6, la
pression dans ladite
cavité 6 est désormais supérieure de vingt bars à celle régnant dans la
chambre de
combustion 5. En conséquence, les gaz brûlants voient leur pression chuter de
vingt bars
lors de leur passage au travers des orifices d'éjection des gaz 24 si bien que
leur
température tombe aux environs de mille trois cent degrés. En contrepartie,
lesdits gaz se
trouvent animés d'une grande vitesse qui leur permet de pénétrer profondément
dans le
volume de la chambre de combustion 5.
Ce faisant, lesdits gaz brûlants enflamment les gaz environnants constitutifs
de la charge
principale 30. Outre libérer sous forme de chaleur l'énergie du carburant
qu'ils contiennent,
lesdits gaz environnants se retrouvent animés d'une grande vitesse locale par
lesdits gaz
brûlants, ladite vitesse se matérialisant sous la forme de micro turbulences.
Le plissement
du front de flamme qui résulte desdites micro turbulences promeut le
développement de la
combustion, laquelle se propage rapidement à l'ensemble de la charge
principale 30 et
dans l'entièreté du volume de la chambre de combustion 5.
On remarque que l'efficacité de la préchambre d'allumage à clapet 1 suivant
l'invention à
développer ladite combustion est d'autant plus grande que les torches de gaz
brûlants
formées tout autour du dôme d'éjection protubérant 25 mettent à feu la charge
principale
30 en de multiples endroits de la chambre combustion 5.
En effet, une fois initialisée radialement depuis le centre vers la périphérie
de la chambre
combustion 5, la combustion de ladite charge 30 se développe dans une deuxième
phase
radialement depuis la périphérie de ladite chambre 5 vers le centre de ladite
chambre 5, et
tangentiellement entre chaque torche de gaz brûlants sortante du dôme
d'éjection
protubérant 25 via les orifices d'éjection des gaz 24.
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Une fois le mélange comburant-carburant AF constitutif de la charge pilote 9
intégralement
brûlé et en majeure partie éjecté sous la forme de jets de gaz brûlants via
les orifices
d'éjection des gaz 24, la combustion se développe dans la chambre de
combustion 5 et la
5 pression régnant dans cette dernière devient rapidement supérieure à
celle régnant dans
la cavité de stratification 6.
Aussi, dès que cette situation est atteinte, la face côté chambre 15 du clapet
de stratification
13 reçoit une pression supérieure à celle qui s'exerce sur la face côté cavité
14 dudit du
10 .. clapet 13. Il résulte de ceci que le clapet de stratification 13 se
déplace rapidement sur
quinze centièmes de millimètres en direction de la cavité de stratification 6,
et vient se
plaquer de façon étanche sur le siège d'obturation de clapet 18 avec lequel il
coopère. Cette
situation est illustrée en figure 7.
15 La combustion de la charge principale 30 s'opérant très rapidement
malgré la forte teneur
en EGR refroidi de ladite charge 30, ladite combustion est achevée
seulement quelques
degrés de vilebrequin 37 après le Point Mort Haut du piston 31. Le rendement
thermodynamique du moteur à combustion interne 2 va ainsi pouvoir être maximal
car la
détente n'a qu'à peine débuté tandis que l'intégralité de l'énergie contenue
dans le
20 carburant constitutif de la charge principale 30 a été libérée.
Le clapet de stratification 13 restant fermé comme illustré en figure 7, le
piston 31 amorce
alors sa course de détente et commence à transformer en travail une grande
partie de la
chaleur des gaz chauds et brûlés de la charge principale 30. Ledit travail est
transmis au
25 .. vilebrequin 37 par ledit piston 31 via la bielle 38.
Ce faisant, la pression et la température régnant dans la chambre de
combustion 5 baisse
graduellement. Lorsque ladite pression atteint par exemple soixante bars, la
pression qui
subsiste dans la cavité de stratification 6 devient supérieure à celle régnant
dans la chambre
de combustion 5.
Il résulte de cette situation que la portée de clapet côté chambre 21 du
clapet de
stratification 13 revient au contact du siège d'ouverture de clapet 20, ce
qu'illustre la figure
8. Le clapet de stratification 13 découvre à nouveau totalement les orifices
d'éjection des
gaz 24 et les gaz brûlants résiduels de la charge pilote 9 sont éjectés via
lesdits orifices 24
pour être détendus par le piston 31, en même temps qu'est poursuivie la
détente de la
charge principale 30.
Une fois que le piston 31 a atteint son Point Mort Bas, la soupape
d'échappement 35 s'ouvre
et les gaz finissent de se détendre dans le conduit d'échappement 33 avant
d'être
activement refoulés par ledit piston 31 dans ledit conduit 33 lorsque ledit
piston 31 remonte
dans le cylindre 4 en direction de son Point Mort Haut.
Pendant toute la course d'échappement du piston 31, la cavité de
stratification 6 peut finir
d'expulser les gaz brûlants résiduels de la charge pilote 9 via les orifices
d'éjection des
gaz 24.
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Cette expulsion peut également se poursuivre pendant la phase d'admission qui
marque le
départ d'un nouveau cycle à quatre temps de Otto ou Beau de Rochas selon le
séquencement usuel.
Comme on a pu le constater au long de l'explication qui vient d'être donnée,
contrairement
aux dispositifs connus selon l'état de l'art, la préchambre d'allumage à
clapet 1 selon
l'invention a permis de limiter la pression d'injection de la charge pilote 9
à
approximativement vingt bars.
Cette pression relativement basse a permis non seulement de limiter la
consommation
énergétique du compresseur de stratification 36, mais aussi d'en limiter la
complexité dans
la mesure où un seul étage de compression a suffi pour atteindre ladite
pression.
En outre, seul un virgule six pourcent du carburant que contient la charge
principale 30 a
suffi pour assurer un allumage à la fois puissant de ladite charge 30 - de
l'ordre de deux
cent fois plus puissant qu'un allumage par étincelle conventionnel, ledit
allumage ayant eu
lieu en de multiples endroits répartis de façon homogène dans l'espace
tridimensionnel de
la chambre de combustion 5.
La pression de compression basse de la charge pilote 9 d'une part, et la
faible quantité de
mélange comburant-carburant AF contenue dans ladite charge 9 d'autre part, on
toutes
deux concouru à minimiser l'énergie consommée par le compresseur de
stratification 36
pour comprimer ladite charge pilote 9
Ceci a donc permis de minimiser la quantité de travail que le compresseur de
stratification
36 a directement ou indirectement ponctionné sur le vilebrequin 37 du moteur à
combustion
interne 2, ce qui a contribué à maximiser le rendement énergétique final dudit
moteur 2.
En outre, on remarquera que le temps alloué à l'injecteur de stratification 8
pour injecter la
charge pilote 9 dans la cavité de stratification 6 a été presque équivalent au
temps alloué à
la phase de compression du moteur à combustion interne 2 selon le cycle à
quatre temps
de Otto ou Beau de Rochas. Ceci a permis d'une part, de limiter la dynamique
recherchée
pour ledit injecteur 8, et d'autre part, de limiter la pression d'alimentation
dudit injecteur 8.
Ceci contribue notamment à réduire le coût et la complexité dudit injecteur 8
tout en lui
conférant une meilleure fiabilité, et une grande durabilité.
Pendant toute la durée de l'injection de la charge pilote 9 dans la cavité de
stratification 6,
on remarquera que ladite charge 9 n'a été mélangée qu'avec très peu de gaz
brûlés
résiduels. La teneur en dits gaz brûlés de ladite charge 9 avant son allumage
par étincelle
n'a été que d'un pour mille environ, ce qui est extrêmement faible.
Il a résulté de ceci que la charge pilote 9 a conservé une inflammabilité
maximale qui,
combinée à une pression de seulement vingt bars lorsque la bougie d'allumage
12 a mis à
feu ladite charge 9, a permis de limiter la tension à appliquer aux bornes de
ladite bougie
12 pour obtenir ladite mise à feu. Il résulte de ceci une moindre consommation
électrique
pour alimenter ladite bougie 12, et une durabilité accrue de cette dernière.
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On aura remarqué que durant la séquence de fonctionnement illustrée par étapes
successives depuis la figure 3 jusqu'à la figure 8, la charge thermique
appliquée au dôme
d'éjection protubérant 25 a été réduite à son strict minimum en ce que les gaz
portés à
haute température ne sont passé au travers des orifices d'éjection des gaz 24
qu'une seule
fois, contre trois pour toute préchambre d'allumage selon l'état de l'art, une
telle
préchambre étant dénuée de clapet de stratification 13.
Cette particularité a notamment permis d'éviter que ledit dôme 25 ne monte à
trop haute
température et ne forme un point chaud susceptible de provoquer des allumages
intempestifs et non-commandés de la charge principale 30 conduisant au
cliquetis et à
l'endommagement voire à la destruction du moteur à combustion interne 2. En
outre, cette
propension du dôme d'éjection protubérant 25 à rester à basse température
permet de
prévoir un taux de compression élevé pour le moteur à combustion interne 2,
sans risque
de cliquetis.
Ainsi, la préchambre d'allumage à clapet 1 selon l'invention permet de
réaliser des moteurs
à combustion interne 2 à allumage commandé opérant sous fort taux d'EGR
refroidi, quelle
que soit la charge et le régime de rotation desdits moteurs 2, et sans
compromettre la
stabilité de combustion de ces derniers.
En conséquence dudit fort taux d'EGR, la pression d'admission desdits moteurs
2 est
naturellement plus élevée à charges partielles que celle de moteurs à
combustion interne
2 de même conception opérant sans EGR refroidi. Ceci réduit les pertes par
pompage
occasionnées par le réglage de la charge par la pression d'admission, ledit
réglage étant
par exemple opéré au moyen d'un papillon.
En outre, les moteurs à combustion interne 2 recevant la préchambre d'allumage
à clapet
1 selon l'invention voient leurs pertes thermiques réduites, de même qu'est
diminuée la
quantité d'oxydes d'azote par kilowattheure produite par lesdits moteurs 2.
Ceci résulte du
fait que la combustion de la charge principale 30 s'opère à une température
moyenne plus
basse grâce à la possibilité qu'offre la préchambre d'allumage à clapet 1
selon l'invention
d'introduire de l'EGR refroidi en forte proportions dans ladite charge 30.
Dans ce contexte permis par la préchambre d'allumage à clapet 1 selon
l'invention, le taux
de compression des moteurs à combustion interne 2 peut être prévu plus élevé
que celui
des mêmes dits moteurs 2 opérants sans EGR refroidi et ceci, sans risque de
cliquetis. Ceci
est favorable au rendement desdits moteurs 2.
On remarquera en outre que la réduction des pertes par pompage et des pertes
thermiques
induite par la préchambre d'allumage à clapet 1 selon l'invention rend moins
nécessaire
une réduction importante de la cylindrée des moteurs à combustion interne 2 à
iso-couple
et iso-puissance par adjonction d'une suralimentation, par exemple par
turbocompresseur.
En effet, la suralimentation pourra être soit réduite soit inexistante tout en
conservant des
performances énergétiques élevées vis-à-vis de l'état de l'art.
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Il résulte de cet ensemble de caractéristiques et d'avantages conférés par la
préchambre
d'allumage à clapet 1 selon l'invention des moteurs à combustion interne 2 à
prix de revient
modéré, à faible consommation de carburant, à faibles émissions de dioxyde de
carbone,
et dont le post-traitement des polluants est assuré par un simple catalyseur
trois-voies.
On notera qu'il n'est pas à exclure que la préchambre d'allumage à clapet 1
suivant
l'invention puisse s'appliquer à d'autres domaines que les seuls moteurs à
combustion
interne. Ladite préchambre 1 peut par exemple s'appliquer à des cloueurs à
gaz, à des
armes à feu, ou à tout appareil nécessitant la mise à feu d'une charge
principale au moyen
d'une charge pilote avec la meilleure efficacité possible.
Les possibilités de la préchambre d'allumage à clapet 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.
