Brevet FR2564974A1 — publié le 19851129

Dispositif mesurant en continu la viscosité d'un fluide, notamment d'un combustible liquide. La présente invention concerne un dispositif placé sur un circuit d'alimentation en combustible et destiné à faciliter la prise en compte de la viscosité d'un fluide, et notamment quand il est nécessaire de réguler une pompe d'injection de moteur ou un brûleur de chaudière. Pour améliorer le fonctionnement des moteurs Diesel, les industriels perfection- nent les équipements d'injection. La puissance des moteurs utilitaires ayant été progressivement augmentée, cell a nécessité une adaptation des équipements et notamment une augmentation de la pression d'injection. Ainsi, une pression d'injection plus élevée pour les mo- teurs, nécessaire pour former le mélange, diminue l'influence de la turbulence et améliore la puissance et la consommation tout en réduisant les émissions de gaz nocifs et les imbrûlés. Pour parfaire ces améliorations, des systèmes de régulation à composants 61ec- troniques, sont installés pour commander les différents organes d'asservissement. Le régulateur mécanique habituel est remplacé par un actuateur qui reçoit ses informaticns du calculateur électronique. Les systèmes de régulation électronique peuvent-être de différents types et no- tamment à commande électromagnétique ou à commande électro-hydraulique, suivant le modèle de pompe d'injection. Lans la commande électromagnétique, Itactuateur est un aimant linéaire actionnant coaxialement la tige de réglage de la pompe qui est rappelée par un ressort. Dans la commande électro-hydraulique, Il'actuateur est un piston hydraulique qui actionne directement la tige de réglage rappelée par un ressort. La pression de l'actuateur est réglée par une soupape électromagnétique proportionnelle, Le circuit basse-pression de ces installations est alimenté en carburant par deux pompes électriques, ces pompes étant alternativement en fonction. Il existe aussi des systèmes o la commande est assurée par un convertisseur électropneumatique, qui reçoit ses ordres du calculateur électronique. Quel que soit le système d'asservissement retenu pour la commande de la pompe, à partir des informations reçues par le calculateur électroniques la régulation électronique peut-être réalisée complètement quand tous les paramètres sont pris en compte. Actuellement, les différents paramètres de fonctionnement que- l'on peut prendre en compte, sont - la position de la pédale d'accélération - la position du coulisseau - la vitesse de rotation - le débit d'air - la pression de suralimentation - le débit de carburant - la détermination du point mort haut -les températures de l'air ambiant, de l'eau de refroidissement et du carburant - le débit d'injection. En ce qui concerne la viscosité du carburant, aucun système simple de contrôle ne permet de mesurer cette valeur en continu. Actuellement, quelles que soient les caractéristiques des carburants employés et les variations de température, qui tous deux affectent la viscosité du carburant, la pompe de transfert fonctionne de la même façon. Par exemple, une simple et unique caractéristique du système de régulation compense les changements de pression causés par la différence de viscosité. Ce système de " tout ou rien ", n'agit que dans les phases extrêmes du comportement des combustibles, c'est- à-dire quand ils sont froids et visqueux, ou chauds et légers acceptant ainsi une large tolérance dans les changements de viscosité et négligeant leurs variations intermédiaires. Or, il apparait aujourd'hui nécessaire dans un sytème de régulation électronique, o il est important de prendre en compte la totalité des paramètres, d'intégrer ainsi cette information essentielle du contrôle de la viscosité des carburants. A titre d'exemple, on peut donner les chiffres concernant les écarts de viscosité cinématiques des G.O. que l'on trouve actuellement sur le marché des carburants, et qui peuvent osciller entre 7,2 cst à 20 pour du G.O. mélange de distillation atmosphérique, à 3,4 cst à la même température pour du G.O. tête de distillation sous vide. Les différents G.O. étant d'autre part soumis à des augmentations importantes de température dans les circuits, leur viscosité initiale est modifiée. Une aug- mentation de température commande une diminution de la viscosité et de la densité du carburant, entraînant une diminution du rendement du moteur. Sans régulation, prenant en compte la viscosité, on évalue généralement la perte de puissance d'un moteur (iso-couple et iso-puissance) entre 0,8 et 1 % par éld- vation de température de 10 au-dessus de la température idéale d'injection qui se trouve à 20 C. On voit donc, qu'il est indispensable pour éviter ces pertes, de corriger en con- tinu la régulation électronique d'injection des moteurs. La prise en compte de la viscosité ne peut qu'améliorer les performances des moteurs en diminuant leur consommation spécifique et ceci quel que soit le combustible employé. Il est évident qu'un tel système de contrôle de la viscosité, peut-être installé sur la régulation électronique d'un brûleur de chaudière jouant sur les diffé- rents paramètres, tels que l1atomisation, le cône de vaporisation ou l'écoule- ment du fuel à travers le brûleur. Il en résulte un changement du rapport fuel/ air qui n'influe pas seulement sur l'efficacité de la chaudière mais aussi sur la formation de suie, de S02, de NO, rendant l'installation moins polluante. Quel que soit le mode de pulvérisation choisi, mécanique, par coupelle rotative, à air ou à vapeur, il faudra fournir une certaine quantité d'énergie pour vaincre les forces de cohésion du combustible qui dépendent en partie de sa viscosité. Dans le cas du brûleur mécanique par exemple, le fuel sous pression pénètre par l'in- termédiaire de canaux tangentiels dans la chambre de rotation du gicleur. Il y a formation d'un film de fuel en rotation sur la paroi interne du gicleur dont l'é- paisseur décroît avec la vitesse de rotation et croit avec la viscosité. Il en ré- sulte que plus le fuel est fluide, plus l'épaisseur du film diminue, ce qui entraîne une diminution du débit du fuel. La viscosité est donc un parambtre important qui intervient lors du transfert et de la pulvérisation des fuels. L'installation d'un viscosimètre permettant de remplacer le réglage de tempéra- ture traditionnel par un réglage de viscosité présente des avantages économiques et évite un surdosage de l'excès d'air. La diminution des suies entraîne une dimi- nution de la fréquence des ramonages et une moindre cokéfaction au nez des brû- leurs, réduisant ainsi le coût de la maintenance. Ii existe actuellement un certain nombre de systèmes de mesures de viscosité montés en ligne sur les installations de chauffage au fuel. La plupart de ces analyseurs mesurent la viscosité de cisaillement apparente du fuel. Plusieurs principes sont utilisés, chute de cylindre, écoulement dans un tube à traversun capillaire, à sphère vibrante ou à disques rotatifs. Ce sont des appareils compli- qués, lourds et coûteux qui donnent des informations traitées ensuite par trans- metteur pneumatique ou électronique. Souvent ils ne réalisent pas une mesure de viscosité proprement dite mais reconnaissent des différences de viscosité qui per- mettent de réagir sur le processus pour maintenir la viscosité demandée ou dé- clencher la phase suivante de la chaîne. Chacun de nous a l'habitude de dire d'un liquide qu'il est visqueux quand il s'é- coule difficilemert, un peu comme une peinture épaisse: on dit par contre, qu'un liquide est fluide lorsque son écoulement rappelle celui de l'eau. Il est évident que de telles notions sont insuffisantes et qu'il faut faire appel pour caracté- riser la viscosité, à une définition plus précise, mettant en jeu des grandeurs mesurables. Les propriétés de viscosité d'un carburant illustrent particullère- ment bien la complexité du phénomène. Un même carburant devra être suffisamment visqueux pour éviter le grippage des pompes et des injecteurs par exemple, et devra être assez peu visqueux pour être transporté dans les canalisations et les filtres, et injecté dans la chambre de combustion du moteur. Toutes ces exigences, en partie contradictoires, peuvent-être satisfaites grâce à la non linéarité de la viscosité et aux anomalies des comportements d'écou- lement du carburant, comme la thixotropie des paraffines contenues dans celui- ci par exemple. La viscosité caractérise la résistance opposée par deux couches de substances proches à leur glissement, quand elles sont soumises à une contrainte appliquée dans leur plan. Pour beaucoup de fluides, la viscosité dépend des conditions de mesure et plus particulièrement des conditions de cisaillement pendant la mesure. Cependant, pour tous les types de fluides et quelle que soit l'influence du ci- saillement sur la viscosité, il est bon de préciser le rôle joué par certains autres facteurs, tels que la température, la pression, la nature physicochi- mique de la substance, sa constitution et en particulier la concentration dans le cas de dispersion ou de solution ( paraffine dans le G.O. par exemple). Pour les liquides, la viscosité décroît quand la température augmente: cette va- riation de viscosité peut atteindre 10 % par degré centigrade pour les huiles. D'une manière générale, il faut retenir que la température a une influence très marquée sur la viscosité et que, par conséquent, tout travail doit-être réalisé dans des conditions de température bien définies. Le dispositif selon l'invention, a pour but de faciliter la prise en compte de la viscosité dans le cas d'un traitement électronique des informations avant trans- mission des ordres aux organes d'asservissement. - Conformément à la présente invention, le dispositif fonctionne selon le principe de NEWTON. Les conditions d'écoulement et de déformation des fluides sont fonction de la vis- cosité, c'est-à-dire de l'adhérence des molécules entre elles. L'écoulement des fluides est Influencé par une force de cisaillement tendant à s'opposer au mouvement. Si l'écoulement est décomposé en une multitude de couches superposées. Elles donnent l'impression d'avancer comme les cartes d'un jeu. Le dispositif selon l'invention, fonctionne de la façon suivante. Installé soit directement, soit indirectement sur un circuit d'alimentation an combustible, uneforce de cisaillement est exercée entre les surfaces de deux mobiles rota- tifs entrarnés par des turbines. Cette force de cisaillement est fonction de la viscosité dynamique du fluide qui se trouve prisonnier entre les deux surfaces multipliée par le gradient de vitesse entre les deux mobiles. Lorsque le gra- dient de vitesse est maintenu constant à un instant déterminé, la force de ci- saillement correspond directement à la viscosité du fluide. En conséquence, toute variation de la viscosité du liquide entrarne Immédiate- rnent une variation correspondante de la force de cisaillement entre les deux surfaces, donc une variation de vitesse entre les deux mobiles, mesurée par les capteurs. Les signaux fournis en continu par les capteurs sont transmis à un calculateur qui, après traitement, peut soit agir sur un régulateur électronique, soit afficher les informations reçues. Dans un autre mode de réalisation, la turbine entraînant l'un des mobiles, est remplacée par un entraînement autonome et/ou asservi directement ou indirec- tement par l'arbre de la pompe d'injection Diesel ou du brûleur de chaudière. La vitesse du mobile entraîné par le moteur ou par l'arbre de la pompe d'in- jection ou du brûleur étant connue, la vitesse du mobile entraîné par la turbine traversée par le flux est variable suivant la valeur du couple de cisaillement correspondant à la viscosité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisations et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - La figure 1: est une vue en coupe des diverses pièces d'un dispo- sitif selon l'invention et concernant une chambre de mesure dans laquelle deux disques plans de même dia- mètre sont entraînés par deux turbines identiques. - La figure 2: est une vue en coupe des diverses pièces d'un dispo- sitif selon l'invention et concernant une chambre de mesure dans laquelle deux disques plans de diamètre différent sont entraînés par deux turbines également de diamètre différent. - La figure 3: est une vue en coupe des diverses pièces d'un dispo- sitif selon l'invention et concernant une chambre dans laquelle deux entrefers cylindriques sont entrarnés par deux turbines identiques. - La figure 4 est une vue en plan et en coupe de deux montages de laboratoire du dispositif selon l'invention. - La figure 5 est une vue en coupe et en perspective d'une pompe d'injection Diesel sur laquelle est monté le dispositif mesurant la viscosité suivant l'invention. - La figure 6 est une vue en coupe et en perspective d'un brûleur de chaudière sur lequel est mont6 le dispositif mesu- rant la viscosité suivant l'invention. - La figure 7 est la représentation d'un schéma de régulation élec- tronique d'une pompe de moteur Diesel. A la figure 1, on a représenté un dispositif comportant deux disques plans de même diamètre (1) et (2) solidaires de deux turbines (3) tournant en sens in- verse et montées dans une chambre de mesure (4) alimentée en carburant par le canal (5), I'évacuation s'effectuant par le canal (6). L'un des deux disques (1) comporte des trous radiaux (7) ou des fentes radiales de gavage qui aspi- rent en permanence le fluide dont on veut suivre la viscosité. Une entretoise (8) d'épaisseur variable suivant l'étendue de la plage de viscosité à mesurer, modifie l'écartement entre les deux disques. Deux capteurs (9) sont installés perpendiculairement à l'axe de l'appareil. A la figure 2, on a représenté un dispositif comportant deux disques plans, l'un (1) d'un diamètre supérieur à l'autre (10) et solidaires de deux turbines (3). Le disque (1) comporte des trous radiaux (7), une entretoise (8) est placée entre les deux disques et deux capteurs (9) mesurent les vitesses de rotation des turbines. Dans ce cas de figure, le grand disque (1) sert de débitmètre, le petit disque (10) assurant la fonction de mesure de viscosité. Le dispositif étant monté directement ou indirectement sur un circuit d'alimen- tation en combustible, le fluide traverse en permanence la chambre de mesure mettant en mouvement les turbines (3), les capteurs de vitesse mesurent en continu le nombre d'impulsions correspondant à chaque passage des ailettes (11) des turbines. Les informations fournies sont transmises au calculateur. A la figure 3, on a représenté un dispositif à double entrefer comportant un noyau cylindrique primaire (12) entrarné par le flux traversant la turbine (13) qui lui est solidaire et un noyau cylindrique secondaire (14) entraîné en sens inverse par le flux traversant la turbine (15) qui lui est solidaire. La disposi- tion des turbines n'entraîne pas de perte de charge sur le circuit et n'empêche pas le passage du fluide en cas de blocage de celles-ci. Deux capteurs (16) et (17) permettent de mesurer la vitesse de rotation des no- yaux (12) et (14). L'admission du fluide dans la chambre de mesure (4) s'effec- tue par l'orifice (18), l'évacuation s'effectuant par l'orifice (19). L'appareil placé directement ou indirectement dans un circuit d'alimentation en combustible, le fluide traversant la chambre de mesure (4) met en rotation in- verse les deux turbines (13) et (15) qui entrarnent les deux noyaux (12) et (14). Les capteurs de vitesse (16) et (17) mesurent an continu la vitesse de rotation des deux noyaux (12) et (14). Les Informations fournies sont transmises au cal- culateur. A la figure4,on a représenté deux montages différents des dispositifs, dans le cas de leur utilisation ccmme matériel de laboratoire. Le premier montage représente un réservoir en charge (19) alimentant à une hauteur prédéterminée h, par l'intermédialre d'une vanne (20), l'appareIll de me- sure de viscosité (21). Le second montage représente un réservoir (22), alimentant par l'lntermédiaire d'une vanne (20) I'appareil de mesure de viscosité (21), celui-cl étant raccordé à un réservoir (23) mis en dépression par une pornpe à vide. Les deux montages permettent de mesurer en laboratoire les viscosités des fluides, sans utilisation d'un appareillage compliqué, lIs informations fournies par les capteurs étant analysées par un calculateur électronique, puis transf6- rées soit sur un affichage électronique, soit sur un enregistreur de données. A la figure 5, on a représenté en A, le montage du dispositif de mesure de viscosité monté directement sur l'arbre (23) d'une pompe à injection rotative de moteur Diesel. L'appareil se compose d'un noyau Interne (24) en- traién par l'arbre (23). Le noyau externe (25) est muni d'une turbine (26) en- traînée par le flux de combustible introduit par l'orifice (27) et tournant en sens inverse du sens de rotation de la pompe. L'appareil est muni d'un capteur de vitesse (28) mesurant la vitesse de rotation du noyau externe (25). Il peut-être aussi muni d'un capteur de vitesse (29) me- surant la vitesse de rotation de la pompe si cette information n'est pas déjà fournie par une autre source. On a représenté en B, une perspective d'une pompe d'injection rotative Diesel munie du dispositif de mesure de viscosité (30) monté en haut de l'arbre de la pompe. Le dispositif peut-être attelé à tout autre endroit de la pompe, notam- ment sur les pompes d'injection en ligne. Le fonctionnement est le même que dans les autres montages décrits plus haut. Le fluide traversant la chambre de mesure avant la pompe de transfert (31) en- traîne le noyau externe (25) dans un sens contraire du sens de rotation de la pompe et du noyau interne (24). La vitesse de rotation de la pompe étant connue, la vitesse de rotation du noyau externe (25) est fonction d'une part, du débit de la pompe (31) et d'autre part, de la viscosité du combustible. Les informations fournies par les capteurs sont analysées par le calculateur et transmises au régu- lateur de la pompe. A la figure 6, on a représenté en C, le montage du dispositif de me- sure de viscosité monté directement sur l'arbre (32) d'une pompe d'alimentation (33) d'un brûleur de chaudière. L'appareil se compose d'un noyau interne (24) entraîné par l'arbre (32). Le noyau externe (25) est muni d'une turbine (26) en- traînée par le flux de combustible introduit par l'orifice (34) dans la chambre de mesure (4) et tournant en sens inverse du sens de rotation de la pompe (33). L'appareil est muni d'un capteur de vitesse (21) mesurant la vitesse de rotation du noyau externe (25), la vitesse de rotation de la pompe d'alimentation du brû- leur étant connue. Si cette information n'est pas connue, un capteur de vitesse de rotation peut-être installé. On a représenté en D, une perspective d'un brûleur de chaudière muni d'un dis- positif de mesure de viscosité (35) monté en haut de l'arbre de la pompe (33). Le fonctionnement de l'appareil est identique à ceux décrits précédemment. Les informations fournies par le capteur (28) sont analysées par le calculateur et trans- mises au régulateur du brûleur. A la figure 7, on a représenté le schéma de régulation électronique d'une pompe d'injection rotative du moteur Diesel. Une augmentation du nombre des fonctions de la régulation électronique Diesel est possible par combinaison des systèmes de régulation. Ainsi, si l'on considère les réglages d'une pompe d'injection en fonction de la viscosité du carburant, ceux-ci peuvent-être réalisés sur cinq plages de fonctionnement que l'on peut dé- finir de la façon suivante: - Ralenti - 1/4 de charge - 1/2 charge - 3/4 de charge - Pieine charge Il est facile, en fonction des débits de carburant connus sur ces cinq plages de fonctionnement donc des gradients de vitesse, de déterminer le réglage optimum de la pompe d'injection en fonction de la viscosité du carburant. La pompe d'injection est munie d'un actuateur pour le débit, et d'une soupape électromagnétique pour l'avance variable hydraulique. La commande du clapet de recirculation peut se faire par des valves électropneumatiques ou par con- S vertisseur électropneumatique. Un dispositif selon l'invention de mesure de viscosité de type à disques plans, peut-être monté sur un arbre attelé à un moteur ou à un arbre de pompe, la turbine d'entrainement du disque attelé étant supprimée. Le dispositif de mesure de viscosité ainsi décrit, présente donc un certain nombre d'avantages par rapport aux systèmes existants. Il est simple, peu coûteux, ne nécessite pas d'entretien particulier et peutêtre monté facilement sur n'importe quel type de circuit. Toute mesure de viscosité étant en étroite relation avec les variations de tempé- rature, il est nécessaire de connaître celle-ci à tout moment par l'intermédiaire d'un capteur supplémentaire de type thermistor par exemple. Cette possibilité offre l'avantage de pouvoir modifier soit la température par réchauffage ou re- froidissement du flux, pour amener le fluide à la viscosité recherchée, soit de mo- difier les réglages des asservissements pour rechercher la meilleure exploitation possible du carburant à la température et viscosité affichée. Les capteurs peuvent-être de différents types, à fibre optique, inductif, magné- tique, à effet Hall, capacitif, photo-électrique, à infra-rouge, à ultrason, etc.... On peut ménager des encoches ou des trous tangentiels sur les cylindres des no- yaux, ceux-ci ayant une largeur calculée en fonction de la portée nominale du capteur. Dans des cas très particuliers de mesure, les dispersions ont souvent tendance à modifier leur concentration le long des parois du système de rmesure, ce qui pro- voque parfois des glissements, Pour pallier cet effet, on remplace les cy!indres lisses des noyaux des entrefers par des cylindres striés. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemple, mais elle couvre également les modes de réalisation qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. Un appareil du même type peut notamment être utilisé pour mesurer ia viscosité des liquides, autres que des combustibles. On peut également utiliser un appareil de ce type pour asservir une régulation électronique avec recirculation des gaz d'échappement ou injection électronique d'essence. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif mesurant en continu la viscosité d'un fluide, notamment d'un com- bustible liquide, disposé dans un circuit d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de mesure (4) traversée par le fluide à mesurer, dans laquelle se trouve un appareil à double entrefer, comportant un noyau cylin- drique primaire (12) entrarné par une turbine (13) qui lui est solidaire et un noyau cylindrique secondaie (14) entraîné en sens inverse par une turbine (15) qui lui est solidaire. Deux capteurs (16) et (17) permettent de mesurer les vitesses de rotation des noyaux (12) et (14). 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareil placé dans la chambre de mesure (4) est composé de deux disques plans (1) et (2) solidaires de deux turbines (3) tournant en sens inverse. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins l'un des disques est percé de trous de gavage (7). 4 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins l'un des disques est percé de fentes radiales de gavage. - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les deux disques sont séparés par une entretoise (8). 6 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'un des disques est entraîné par un arbre moteur, 7 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des noyaux cylindriques est entraîné par un arbre moteur. 8 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil comporte au moins un capteur de vitesse (28). 9 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cylindres des noyaux comportent des encoches ou des trous tangentiels. - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cylindres des noyaux sont striés.