Brevet FR2660753A1 — publié le 19911011

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER UN VOLUME, NOTAMMENT DANS UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour mesurer un volume, dans lesquels une pre- mière pression gazeuse pl est développée dans un volume devant être mesuré, cette pression est ensuite modifiée en une autre pression p 2, puis le volume est calculé sur la base de la va- riation, dans le temps, des valeurs de la pression gazeuse. Il est malaisé de mesurer le volume d'une cavité ir- régulière ou fissurée qui peut encore, de surcroît, être dif- ficilement accessible ou non étanche Ce problème se pose, par exemple, lors de la détermination du volume de compression d'un moteur à combustion interne, grâce auquel le taux de com- pression peut être calculé en prenant en compte le volume re- foulé Le rendement d'un moteur à combustion interne, et par conséquent la consommation de carburant, sont notablement in- fluencés par le taux de compression, si bien que la connais- sance précise du volume de compression présente un grand in- térêt. Il est connu de déterminer le volume de compression d'un moteur à combustion interne en appliquant le procédé du "litrage" (vérification de la capacité en litres) Dans ce cas, les volumes individuels respectifs de la culasse déposée ou du cylindre démonté, dans lequel le piston occupe la posi- tion de point mort haut, sont établis par emplissage à l'aide d'un liquide dont le volume est mesuré L'on obtient le volu- me de compression en additionnant ces volumes partiels, et en tenant compte de l'étanchéité de la culasse Ce procédé est très complexe et long, et de plus imprécis L'ampleur effec- tive de l'étanchéité de la culasse est par exemple tributaire du matériau et de la pression de contact, de sorte qu'elle n'est pas connue avec exactitude à l'état assemblé A cela s'ajoute que la précision d'un mesurage, effectué par litrage, dépend fortement du soin apporté par l'opérateur, car le ré- sultat est faussé par des bulles d'air ou par des interstices insuffisamment comblés, ainsi que par des fuites. Dans un autre procédé connu (demande de brevet DE 27 44 737 6), une vessie douée de souplesse élastique est in- troduite dans l'espace à mesurer, puis emplie d'un liquide dont le volume est mesuré Un inconvénient affectant ce pro- cédé consiste en ce que le volume n'est pas intégral-ement dé- tecté dans des espaces fissurés présentant d'étroits intersti- ces, comme dans la chambre de combustion d'un moteur. L'on connait également des procédés pour mesurer un volume (demandes de brevet/29 45 356 3, 32 19 499 4 et 29 45 356 3), dans lesquels un gaz provenant d'un réservoir dont le volume est connu afflue dans le volume devant être mesuré, ou inversement, après quoi le volume est calculé d'après l'équa- tion des gaz, sur la base de la variation de pression mesurée. Dans ce procédé par transfert faisant appel à deux chambres, l'inconvénient réside dans la nécessité d'assurer l'étanchéité du volume à mesurer. L'on connait par ailleurs des procédés (demandes de DE brevet/32 49 286 3 et 33 15 238 1) dans lesquels une quantité d'un gaz, dosée avec précision, est introduite dans le volume à mesurer et dans un volume comparatif connu, puis la diffé- rence de pression entre les deux volumes sert de mesure du vo- lume vérifié Là encore, l'on enregistre l'inconvénient con- sistant en ce que la fuite affectant les volumes doit être né- gligemment faible. L'invention a par conséquent pour objet de fournir un procédé et un dispositif de volumétrie d'un type nouveau, dans lesquels une détermination du volume rapide, simple et précise soit possible également en présence d'espaces affec- tés par des fuites. Conformément à l'invention, dans un procédé du type indiqué en introduction, cet objet est atteint par le fait que la variation de la quantité de gaz admise ou évacuée est mesurée en fonction de la pression (courbe caractéristique de la fuite); par le fait que la pression et la température ré- gnant dans le volume à mesurer sont mesurées, en fonction du -temps, au cours de la variation de pressi on; par le fait qu'une quantité de gaz est affectée à chaque valeur de la pression gazeuse, lors de la variation de pression (allure du débit volumique); par le fait qu'une variation de volume du gaz est calculée par intégration de la quantité de gaz (al- lure du débit volumique), en tant que fonction de la pres- sion relativement au temps; et par le fait que le volume à mesurer est établi à l'aide de l'équation des gaz p V = m R T, en prenant en considération les première et seconde pressions, ainsi que la température régnant au début et à la fin de la variation de pression, le mesurage de la quantité de gaz admi- se ou évacuée ayant lieu en fonction de la pression (courbe caractéristique de la fuite), en présence de régimes station- naires (équilibrés) dans le volume à mesurer. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du pro- cédé conforme à l'invention: la variation de pression représente, de préférence, une dé- tente ou une compression du gaz dans le volume à mesurer; cette variation de pression peut être provoquée par un af- flux ou une sortie de gaz, par l'intermédiaire d'un étrangle- ment, voire par un afflux ou une sortie de gaz résultant d'une fuite dans le volume à mesurer; de préférence, la première pression gazeuse pi est réglée, dans le volume à mesurer, en admettant ou en évacuant par as- piration un débit gazeux massique bien défini; pour déterminer la-courbe caractéristique Q(p) de la fuite du volume à mesurer, il est possible d'admettre des débits ga- zeux massiques modifiés par paliers, puis de mesurer les pres- sions s'établissant; ou bien d'appliquer des pressions modi- fiées, puis de mesurer les débits gazeux massiques s'établis- sant; la première pression gazeuse pi ou l'autre pression gazeuse p 2 peut avantageusement représenter la pression atmosphérique et le volume à mesurer peut être, par exemple, le volume de compression d'un moteur à combustion interne. Le dispositif conforme à l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé précité, est caractérisé par le fait qu'il comprend une source de gaz comprimé; un régulateur de la quantité de gaz; une valve qui autorise ou interdit, res- pectivement, l'admission ou la sortie de gaz dans le volume à mesurer, ou hors de ce dernier; une pièce de raccordement, en vue du raccordement au volume à mesurer; un thermomètre et un manomètre. D'après une autre caractéristique avantageuse du dispositif, ce dernier peut présenter, afin de tenir compte de différentes formes de réalisation de bougies d'allumage et de buses d'injection, ainsi que d'espaces d'incorporation dif- féremment grands dans des moteurs à combustion interne, un certain nombre de pièces de raccordement qui sont maintenues en réserve, et sont adaptées au volume d'incorporation consi- déré de bougies d'allumage ou de buses d'injection. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente, partiellement sous forme d'un diagramme, les processus de mesurage et d'interprétation prévus conformément à l'invention; la figure 2 illustre, schématiquement, un dispositif pour mesurer le volume de compression d'un moteur à combustion interne à l'aide du procédé conforme à l'invention; et la figure 3 montre, à titre d'exemple, une forme de réalisation d'une pièce de raccordement du dispositif mesureur à un moteur à combustion interne. De l'air provenant d'une source 1 d'air comprimé (fi- gure 2) parvient à une unité 2 de traitement d'air comprimé, dans laquelle s'opère une stabilisation de la pression de l'air, c'est-à-dire une régulation du développement d'une pression constante de l'air Ladite unité de traitement 2 as- sure, par ailleurs, l'élimination d'impuretés renfermées par l'air admis, en particulier de l'huile et de l'eau. L'air en provenance de l'unité 2 de traitement d'air comprimé gagne un régulateur 3 de la quantité de gaz, qui me- sure et régule de manière adéquate la quantité de l'air admis par unité de temps (débit gazeux massique) La quantité (masse) de l'air admis peut être exprimée en kilogrammes, ou bien en tant que volume normalisé (kilogrammes divisés par la densité dans des conditions normalisées). Par l'intermédiaire du régulateur 3 de la quantité de gaz, une quantité d'air bien définie Q est introduite, par l'entremise d'une valve 4 ouverte ainsi que d'une pièce de raccordement 5 établissant la communication avec l'alésage 8 associé aux bougies d'allumage ou aux buses d'injection, dans la chambre de combustion 9 d'un moteur à combustion interne muni d'un piston 10. Il s'établit par conséquent, dans la chambre de com- bustion 9, une pression qui dépend des défauts d'étanchéité (fuites) se présentant La pression stationnaire p qui s'éta- blit est mesurée par un manomètre 7, installé dans ou sur la pièce de raccordement 5 Cette pièce 5, dans ou sur laquelle est également installé un thermomètre 6, est de préférence directement rapportée, par vissage, sur le moteur à combus- tion interne devant faire l'objet de mesurages volumétriques. L'admission d'une quantité d'air bien définie Q. dans la chambre de combustion 9, est répétée par paliers avec différentes valeurs quantitatives de l'air, et l'on détermine alors une courbe caractéristique Q(p) de la fuite, qui exprime par conséquent Q en fonction de p, et est illustrée dans la partie supérieure de la figure 1. Dans l'enchainement, la valeur maximale de la quan- tité d'air (débit maximal) est de nouveau introduite, puis l'on attend que la pression correspondante se soit établie dans le volume à mesurer, c'est-à-dire qu'il règne un régime stationnaire (équilibré) L'on ferme ensuite la valve élec- tromagnétique 4 à commutation rapide, qui empêche un post- afflux d'air dans la chambre de combustion 9 La chute de pression qui s'établit alors dans la chambre de combustion, suite à la présence des fuites, est enregistrée en fonction du temps et peut être représentée graphiquement en tant que fonction de détente p(t), comme l'illustre la partie centrale de la figure 1 La fonction de détente p(t) présente une va- leur pi de la pression et une valeur Tl de la température à un instant tl, ainsi qu'une valeur p 2 de la pression et une valeur T 2 de la température à un instant t 2. La fonction de détente p(t) (partie centrale de la figure 1) est à présent combinée à la courbe caractéristique Q(p) de la fuite (partie supérieure de la figure 1), de ma- nière à obtenir la fonction Q(t) du volume en dépendance avec le temps (allure du débit volumique dans le temps) Cela peut avoir lieu par calculs, par graphiques, par consultation de tableaux ou d'une autre manière adéquate Le volume de déper- dition déchargé VL est ensuite obtenu par intégration de la fonction Q(t) sur la période comprise entre tl et t 2, c'est- à-dire relativement au temps de détente La formule corres- pondante est illustrée dans la partie inférieure de la figure 1, du côté droit. Au cours du processus de détente, la température T du gaz a été mesurée par le thermomètre 6 au début de la dé- tente, à l'instant tl, et à la fin de la détente, à l'instant t 2 Les valeurs pl et Tl de la condition initiale de la dé- tente et les valeurs p 2 et T 2, relatives à la condition fina- le de la détente, sont par conséquent connues Le volume VM à mesurer peut, à présent, être calculé en appliquant l'"équa- tion des gaz" bien connue p V = m R T, dans laquelle: p = pression absolue V = volume m = masse R = constante gazeuse T = température absolue. La formule correspondante est illustrée dans la par- tie inférieure de la figure 1, du côté gauche Le volume VM à mesurer se compose du volume de compression (lorsque le piston 10 se trouve au point mort haut) et du volume connu de la piè- ce de raccordement 5 L'on obtient le volume de compression en retranchant le volume de la pièce 5 du volume VM à mesurer. La succession temporelle des étapes opératoires sus- décrites peut être modifiée de manière adéquate La courbe ca- ractéristique Q(p) de la fuite (partie supérieure de la figure 1) peut par exemple être enregistrée plus tard, dans le temps, que la courbe de détente p(t) (partie centrale de la figure 1) Cela présuppose toutefois, en permanence, que les condi- tions de fuite ne varient pas dans le volume à mesurer au cours du mesurage. Dans ce cas, pour déterminer la courbe caractéris- tique Q(p) de la fuite du volume à mesurer, il est possible d'admettre des quantités de gaz modifiées par paliers, puis de mesurer les pressions s'établissant A cette fin, cepen- dant, il est également possible d'appliquer des pressions mo- difiées par paliers, puis de mesurer les quantités de gaz s'établissant Le gaz utilisé peut alors avantageusement con- sister en de l'air atmosphérique,et l'une des pressions pl ou p 2 peut représenter la pression atmosphérique lors de l'enre- gistrement de la fonction p(t). Le processus de mesurage susdécrit peut également être automatisé Un exemple de dispositif de ce type est re- présenté sur la figure 2. L'interprétation est assurée par l'intermédiaire d'un calculateur 13 Une unité de commande électronique 12, comprenant un convertisseur numérique/analogique et un étage de puissance, commande la valeur de consigne du régulateur 3 de la quantité de gaz et la condition d'enclenchement de la valve électromagnétique 4 Par l'intermédiaire d'une unité 11 de traitement des données de mesurage, qui renferme un ampli- ficateur de mesures et un convertisseur analogique/numérique, les grandeurs mesurées que sont la quantité de gaz Q, la pres- sion p et les températures T 1 et T 2 sont délivrées au calcula- teur 13 Ce calculateur 13 assure ensuite l'intégration de l'allure Q(t) du débit volumique dans le temps, le calcul du volume VM à mesurer et la délivrance du résultat. L'invention n'est pas limitée aux étapes du procédé ni aux caractéristiques du dispositif qui ont été décrites ci- avant Il est d'une importance fondamentale d'enregistrer les valeurs d'une variation de pression p(t) dans le volume à me- surer et une courbe caractéristique Q(p) de la fuite d'un gaz dans le volume à mesurer, valeurs sur la base desquelles l'on établit ensuite la variation Q(t), dans le temps, de la quan- tité de gaz Le volume à mesurer peut ensuite être déterminé par conversion, avec une équation des gaz bien connue La va- riation de pression, intervenant dans le volume à mesurer, peut alors représenter aussi bien une détente qu'une compres- sion du gaz; et cette variation de pression peut être obtenue par un afflux ou une sortie de gaz, par l'intermédiaire d'un étranglement, voire par un afflux ou une sortie de gaz résul- tant d'une fuite dans le volume à mesurer. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, comprenant les éléments constitutifs que sont le régulateur 3 de la quantité de gaz, la valve 4, la pièce de raccordement5, le thermomètre 6 et le manomètre 7 peut, lui aussi, être modi- fié de manière appropriée Par exemple, un mesureur de débits gazeux massiques peut être employé pour mesurer le débit de la quantité de gaz et l'on peut aussi utiliser, à cette fin, un tel mesureur équipé d'un régulateur intégré des débits mas- siques. La pièce de raccordement 5 illustrée sur la figure 3 renferme avantageusement, en tant que groupe structurel modu- laire, une partie de raccordement 16 située côté valve, un ap- pendice de raccordement 15 et une partie de raccordement 14 si- tuée côté moteur Il est également possible de maintenir en réserve, en vue de l'adaptation aux formes de réalisation dif- férentes de bougies d'allumage et de buses d'injection de mo- teurs à combustion interne, un certain nombre de parties de raccordement 14 situées côté moteur, dont le volume est connu avec précision et dans lesquelles est pris en compte le volume d'incorporation considéré d'une bougie d'allumage ou d'une bu- se d'injection Un certain nombre d'appendices de raccordement de longueurs différentes peut également être présent, afin de tenir compte d'espaces d'incorporation différemment grands dans des moteurs à combustion interne La partie de raccorde- ment 16 située côté valve peut similairement renfermer, de ma- nière avantageuse, un capteur de pression miniaturisé 7 utili- sé pour mesurer les pressions, ainsi qu'un thermocouple à réac- tion rapide, utilisé pour mesurer les températures, voire un capteur de température équipé d'une résistance de mesurage 6 ' à platine. Dans une autre forme de réalisation avantageuse (non illustrée), la valve 4 peut être reliée à la pièce de raccor- dement 5 pour former un ensemble structurel unitaire. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention telle décrite et représentée, sans sortir de son cadre. -R E V E N D I C A T I O N S- 1 Procédé pour mesurer un volume, dans lequel une première pression gazeuse pl est développée dans un volume de- vant être mesuré, cette pression est ensuite modifiée en une autre pression p 2, puis le volume est calculé sur la base de la variation, dans le temps, des valeurs de la pression ga- zeuse, procédé caractérisé par le fait que la variation de la quantité de gaz admise ou évacuée est mesurée en fonction de la pression (courbe caractéristique de la fuite); par le fait que la pression et la température régnant dans le volume à me- surer sont mesurées, en fonction du temps, au cours de la va- riation de pression; par le fait qu'une quantité de gaz est affectée à chaque valeur de la-pression gazeuse, lors de la variation de pression (allure du débit volumique); par le fait qu'une variation de volume du gaz est calculée par inté- gration de la quantité de gaz (allure du débit volumique), en tant que fonction de la pression relativement au temps; et par le fait que le volume à mesurer est établi à l'aide de l'équation des gaz p V = m R T, en prenant en considération les première et seconde pressions, ainsi que la température régnant au début et à la fin de la variation de pression, le mesurage de la quantité de gaz (allure du débit volumique) ayant lieu en fonction de la pression, en présence de régimes stationnaires (équilibrés) dans le volume à mesurer. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la variation de pression représente une dé- tente du gaz dans le volume à mesurer. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la variation de pression représente une com- pression du gaz dans le volume à mesurer. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la variation de pression est provoquée par un afflux ou une sortie de gaz, par l'in- termédiaire d'un étranglement. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la variation de pression est provoquée par un afflux ou une sortie de gaz résultant d'une fuite dans le volume à mesurer. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la première pression gazeu- se pl est réglée, dans le volume à mesurer, en admettant ou en évacuant par aspiration un débit gazeux massique bien défini. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que, pour déterminer la courbe caractéristique Q(p) de la fuite du volume à mesurer, l'on ad- met des débits gazeux massiques modifiés par paliers, puis l'on mesure les pressions s'établissant. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que, pour déterminer la courbe caractéristique Q(p) de la fuite du volume à mesurer, l'on ap- plique des pressions modifiées, puis l'on mesure les débits gazeux massiques s'établissant. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la première pression gazeuse pl ou l'autre pression gazeuse p 2 représente la pression at- mosphérique. 10 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé par le fait que le volume à mesurer est le volume de compression d'un moteur à combustion interne. 11 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé se- lon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dispositif ca- ractérisé par le fait qu'il comprend une source ( 1) de gaz comprimé; un régulateur ( 3) de la quantité de gaz; une valve ( 4) qui autorise ou interdit, respectivement, l'admission ou la sortie de gaz dans le volume à mesurer, ou hors de ce der- nier; une pièce de raccordement ( 5), en vue du raccordement au volume à mesurer; un thermomètre ( 6); et un manomètre ( 7). 12 Dispositif selon la revendication 11, caractéri- sé par le fait qu'il présente, en vue de tenir compte de dif- férentes formes de réalisation de bougies d'allumage et de bu- ses d'injection, ainsi que d'espaces d'incorporation différem- ment grands dans des moteurs à combustion interne, un certain nombre de pièces de raccordement ( 5) qui sont maintenues en réserve, et sont adaptées au volume d'incorporation considéré de bougies d'allumage ou de buses d'injection.