Brevet FR2572462A1 — publié le 19860502

La présente invention se rapporte à un disposi- tif de surveillance de l'étanchéité des soupapes d'échap- pement de cylindres d'un moteur à combustion, en particu- lier un moteur diesel, pendant le fonctionnement de celui- ci. Les conditions actuellement exigées pour la sé- curité de fonctionnement des moteurs de production d'éner- gie, par exemple des moteurs diesel de bateaux et d'ins- tallations en mer, sont très élevées. En même temps, on désire que les intervalles entre les interventions d'en- tretien soient aussi longs que possible et que les inter- ruptions de fonctionnement liées à l'entretien et au rem- placement de composants soient de courte durée. Il est donc important de détecter rapidement une détérioration de la machine, afin d'entreprendre en temps voulu la répa- ration du défaut. Si on ne remarque pas immédiatement une détérioration qui vient de se produire, même un petit dé- faut initial peut entraîner rapidement des dégâts secon- daires coûteux. Dans les moteurs diesel, les surfaces d'étanchéi- té des soupapes d'échappement et des sièges annulaires de soupapes risquent particulièrement de se détériorer, en raison des fortes contraintes thermiques et mécaniques auxquelles elles sont soumises. La température des soupa- pes peut atteindre 600 à 700 C, valeur à laquelle les gaz d'échappement chauds provoquent facilement une corrosion et une piqûre des surfaces d'étanchéité. Les zones piquées peuvent également agir comme amorçage de fissures qui con- duisent finalement à une rupture par fatigue. Les parti- cules de coke dures qui restent entre les surfaces de la soupape et du siège annulaire engendrent des marques dans les surfaces, ou un effet de piqûre. A la suite du phéno- mène de piqûre, de la corrosion, de l'usure ou d'une cas- sure, un passage de fuite est créé dans la soupape et cela peut rapidement aboutir à la destruction du cylindre et/ou du turbo-compresseur de suralimentation. La présente invention a pour objet un dispositif de protection, basé sur la détection d'une fuite de gaz de combustion à travers la soupape, qui fournit une alarme dès l'apparition d'un défaut engendrant une fuite, par envoi d'une impulsion appropriée au dispositif de commande de la machine, à l'opérateur ou à un autre système de signalisa- tion. De cette façon, on peut procéder en temps voulu à des opérations de réparation et d'entretien, avant que le défaut ait eu le temps de provoquer des détériorations graves. La présente invention procure un dispositif de surveillance de l'étanchéité des soupapes d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur qui réagit au phénomène engendré du côté extérieur d'une soupape d'échappement par une fuite se produisant pendant l'allu- mage ou la combustion du combustible dans le cylindre du moteur, un système de signalisation étant relié à ce dé- tecteur pour fournir un signal d'alarme en cas de fuite de la soupape. L'invention est basée sur l'observation que, lorsque même un petit défaut apparaît dans la surface du siège de soupape, du fait de la corrosion, de l'usure ou de fissures, la surpression importante qui existe dans la chambre de combustion cherche à s'échapper par cet endroit non étanche, pendant l'allumage et la combustion. L'onde de pression qui se propage à travers les surfaces d'étan- chéité endommagées refoule ainsi le gaz en combustion dans l'orifice d'échappement. Le détecteur, qui est placé dans l'orifice d'échappement au voisinage de la surface de siège de soupape et qui réagit à une onde de pression ou à une impulsion thermique ou à une flamme dans ledit orifice, provoque une alarme dans le système de signali- sation. L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un dispositif de protection qui fonctionne de cette fa- çon. Un dispositif de protection suivant l'invention pré- sente en outre l'avantage de pouvoir détecter un défaut et d'émettre une alarme même dans le cas d'un fonction- nement anormal d'un moteur à combustion, comme par exem- ple une injection tardive de combustible ou une post- combustion. Dans les conditions normales, la combustion est complète, en particulier dans la chambre de combustion des plus gros moteurs diesel dits à faible vitesse ou moyenne vitesse. Par conséquent, lorsque les soupapes s'ouvrent pour l'échange des gaz, la phase de combustion est termi- née. Il n'y a donc pas de nécessité immédiate de relier un dispositif de commande qui détermine le point de fonc- tionnement du moteur à un détecteur qui réagit à la lu- mière, puisque l'impulsion lumineuse qui apparaît dans l'orifice d'échappement est toujours une indication du fonctionnement anormal du moteur. D'autre part, un détec- teur qui réagit à une impulsion thermique ou de pression doit être relié à un dispositif qui, par mesure de la durée de l'impulsion, compare le moment de l'impulsion à la phase du cycle du cylindre, ou qui, par d'autres moyens similaires, empêche la transmission de l'impulsion d'alarme dans le cas d'impulsions thermiques ou de pres- sion qui correspondent aux conditions normales. Plusieurs cylindres sont généralement raccordés à un orifice d'é- chappement commun et, de ce fait, diverses sortes d'oscil- lations de pression se produisent simultanément dans l'o- rifice. On sait également que la température des gaz d'échappement d'un moteur diesel n'est pas constante, à l'arrivée des gaz à l'orifice d'échappement, mais peut varier de 100 à 150 C entre les différents cylindres, la température moyenne étant de 300 à 600 C en fonction de la vitesse de rotation, de la charge ou de facteurs sem- blables. La plage de mesure et le seuil d'alarme du détec- teur de température ou de pression doivent être spécifiés sur la base de valeurs empiriques, pour fonctionner dans le cadre d'un spectre donné défini avec précision. La température dans l'orifice d'échappement d'un moteur diesel peut s'élever à 600-700 C environ et même la température du capot du moteur dépasse 100 C. De plus, le moteur est soumis à une grande quantité de vibra- tions. Il est donc préférable, du point de vue de la sûre- té de fonctionnement, de placer les circuits électroniques principaux, tels que cellules photoélectriques, etc., à l'extérieur du moteur et si possible en combinaison avec le dispositif de commande de la machine. Il est également avantageux de placer le détecteur dans un emboîtement qui peut être facilement retiré pour réparer ou nettoyer le détecteur. La forme et l'emplacement de l'embout de ré- ception du détecteur doivent être choisis de sorte que, lorsque les soupapes sont ouvertes pendant l'échange de gaz, le courant de gaz d'échappement engendre un effet d'auto-nettoyage aussi efficace que possible. Pour déter- miner la position du détecteur, il faut également s'assu- rer que la zone de réaction de l'extrémité réceptrice du détecteur recouvre complètement la surface d'étanchéité entre le siège de soupape et la soupape. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, qui se réfère aux des- sins annexés dans lesquels: la figure 1 illustre l'installation d'un disposi- tif de surveillance conforme à l'invention, et la figure 2 est une coupe d'un détecteur confor- me à l'invention. Il doit être bien entendu,toutefois, que ces des- sins et les parties descriptives correspondantes sont don- nés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'in- vention, dont ils ne constituent en aucune manière une li- mitation. Sur la figure 1, le repère 11 désigne un détec- teur qui est fixé à une culasse 4 de sorte que l'extrémité supérieure du détecteur dépasse à l'extérieur de la culas- se et que son extrémité inférieure 14 ou élément de détec- tion se trouve dans un orifice d'échappement 7 du moteur diesel. Le détecteur traverse une chemise 9 d'eau de re- froidissement et il est rigidement monté dans la culasse, au moyen d'un filetage 16. Les points de jonction sont ren- dus étanches à l'eau et à la pression, au moyen de joints toriques 15 et 18. Le mouvement de la soupape d'échappement 5, dans un guidage 10 de tige de soupape, est synchronisé avec le mouvement du piston dans le cylindre, par l'intermédiaire du vilebrequin. Pendant l'allumage et la phase de combus- tion, la chambre de combustion 3 du cylindre est constituée par l'espace fermé qui est délimité par la partie supérieu- re 1 du piston, la chemise de cylindre 2, la culasse 4 et les soupapes d'échappement et d'admission (la soupape d'admission n'est pas représentée). La surpression qui règne dans la chambre de combustion applique fortement la soupape d'échappement 5 contre un siège de soupape 6. Si la surface d'étanchéité entre la soupape d'échappement 5 et le siège de soupape 6 est usée ou se détériore, la surpres- sion existant dans la chambre de combustion 3 cherche à s'échapper par cet endroit non étanche, dans l'orifice d'échappement 7. Ce phénomène, qui est appelé soufflage, provoque ainsi la pénétration du gaz en combustion ou flam- me 13 dans l'orifice d'échappement, en même temps qu'une impulsion de pression. Un détecteur 14, qui est situé dans l'extrémité inférieure de l'élément 11, réagit à l'émis- sion de lumière, à l'onde de chaleur ou à l'impulsion de pression de ce soufflage, de sorte que, lorsque le souf- flage se produit, le détecteur provoque directement ou in- directement l'émission d'une alarme dans un appareil de signalisation 17 de la machine. Le secteur de sensibilité 29 de l'élément de détection 14 du capteur a une étendue suffisante pour lui permettre de surveiller toute la surfa- ce d'étanchéité entre le siège de soupape 6 et la soupape d'échappement 5. La figure 2 illustre la structure d'un mode de réalisation d'un capteur qui réagit à la lumière. Un con- ducteur de lumière 21, fabriqué en verre au quartz ou ma- tière analogue, est coulé dans une masse 22 qui est de pré- férence en une matière céramique. Le conducteur de lumière 21 converge vers le haut, ce qui a pour effet de concen- trer la lumière. Le composé coulé 22 est soit directementcoulé dansun tube intérieur 20 soit placé ensuite sous forme soli- de dans ce tube qui est lui-même monté dans une gaine ex- térieure 19, par l'intermédiaire d'un filetage 26. Ainsi, on peut facilement retirer le conducteur de lumière 21 de la culasse de cylindre, pour réparation ou nettoyage. Une matière flexible 23 de transfert de chaleur est prévue en- tre le tube intérieur et la gaine. Au moyen d'un raccord 24, un deuxième conducteur de lumière 28 est installé dans l'extrémité supérieure du conducteur de lumière, ce deuxième conducteur de lumière étant de préférence un câ- ble à fibre optique raccordé à son autre extrémité à une cellule photoélectrique prévue en combinaison avec l'ap- pareil de signalisation 17. Le raccord 24 est protégé par un chapeau 25 qui est fixé au tube inférieur 20 par un filetage 27 ou un sertissage. En variante, la cellule photoélectrique peut être montée directement dans le rac- cord 24, l'impulsion fournie par la cellule pouvant être transmise à l'appareil de signalisation 17, le long d'un conducteur électrique. L'installation et la configuration extérieure du capteur qui réagit à une impulsion de pression ou à une onde de chaleur sont dans leur principe du même type que décrit ci-dessus pour le capteur sensible à la lumière. Toutefois, dans le cas de la détection de pression ou de chaleur, l'élément détecteur situé à l'extrémité inférieu- re du capteur comporte, à la place du conducteur de lumiè- re, un thermoélément, un élément sensible à la pression ou des éléments similaires. Par thermoélément, on entend éga- lement dans ce cas d'autres dispositifs de transfert de chaleur qui transforment la chaleur en une autre grandeur, par exemple un mouvement mécanique, une pression, un cou- rant électrique ou le changement de résistance ohmique suivant le procédé à transistor PCT ou NCT. En ce qui concerne l'appareil de signalisation 17, il est nécessaire dans certaines applications de l'in- vention de prévoir un dispositif de commande qui, par com- paraison de l'impulsion fournie par le détecteur avec la position de phase de la machine, par mesure de la durée de l'impulsion ou par des moyens analogues, empêche la transmission des impulsions à l'appareil de signalisation lorsque les soupapes d'échappement sont dans la position ouverte pendant l'échange de gaz. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in- vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réa- lisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire tou- tes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du techni- cien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. -2572462 Revendications 1. Dispositif de surveillance de l'étanchéité des soupapes d'échappement des cylindres d'un moteur à combustion, en particulier un moteur diesel, pendant le fonctionnement du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (11) qui réagit au phénomène engendré du côté extérieur d'une soupape d'échappement par une fuite se pro- duisant pendant l'allumage du combustible ou la combustion dans le cylindre de moteur, un système de signalisation (17) étant raccordé à ce capteur de manière à fournir une impulsion d'alarme dans le cas d'une fuite de soupape. 2. Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le capteur (11) est placé dans l'orifice - d'échappement (7) au voisinage immédiat des sièges de sou- pape (6). 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le capteur (11) est un élément qui ré- agit à la lumière et comprend un conducteur de lumière (21) fabriqué en une matière qui résiste à la chaleur et con- duit la lumière, son extrémité réceptrice étant au voisi- nage du siège de soupape (6) et son extrémité supérieure, qui fait saillie à l'extérieur de la culasse de cylindre (4), comportant une cellule photoélectrique, une diode émettrice de lumière, ou un élément basé sur la fluores- cence, l'émission de photons ou une fonction photoélectro- magnétique analogue. 4. Dispositif suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que le conducteur de lumière (21),qui est fa- briqué en verre de quartz ou matière similaire, converge en épaisseur vers le haut. 5. Dispositif suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la cellule photoélectrique,ou l'élément correspondant, est prévue pour être incorporée directement dans l'extrémité supérieure du conducteur de lumière (21) ou pour fonctionner par l'intermédiaire d'un deuxième con- ducteur de lumière (28), par exemple un câble à fibre op- tique, qui est raccordé à la cellule. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que l'impulsion fournie par la cellule photoélectrique ou l'élément corres- pondant est guidée électroniquement vers un système de si- gnalisation (17) fonctionnant électriquement, par exemple un microprocesseur ou l'ordinateur central de la machine ou un appareil similaire. 7. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le conducteur de lumière (21) compor- te une coquille protectrice (22), en céramique ou matière similaire, qui est placée dans une monture comportant un tube extérieur (19) et un tube intérieur (20) séparés, une couche de matière (23) étant placée entre les tubes afin de compenser la tension qui résulte des différences de tem- pérature, le tube extérieur (19) de la monture étant fixé solidement à la culasse (4) au moyen d'éléments d'étanchéité (15,18), le tube intérieur (20) de ladite monture étant tel qu'il peut être démonté séparément pour permettre le nettoyage de l'extrémité du conducteur de lumière (21) et d'autres interventions analogues. 8. Dispositif suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la plage de sensibilité du spectre lumineux du capteur comprend également la zone de l'infrarouge. 9. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité de réception du cap- teur comporte un thermoélément ou un élément similaire qui réagit à la chaleur et qui est prévu pour envoyer un signal au système de signalisation de la machine lorsque la tempé- rature s'élève à une valeur spécifiée. 10. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité de réception du cap- teur incorpore un élément sensible à la pression, qui est prévu pour envoyer une impulsion au système de signalisa- tion de la machine lorsque la pression dépasse une valeur spécifiée. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le système de signalisation comporte un dispositif de commande qui est prévu pour empêcher la transmission de ladite impulsion au système de signalisation lorsque la soupape d'échappement est ouverte pendant l'échange des gaz du cylindre de moteur.