Brevet FR2694092A1 — publié le 19940128

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de la vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation d'un carburant liquide. I1 est bien connu que la vitesse d'évaporation d'un carburant a une grande influence sur ses conditions d'autoinflammation. L'inflammation est, par exemple, mise en oeuvre dans les moteurs diesel et lors de la combustion du fuel dans une chaudière. La mesure de cette vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation est donc importante, à la fois pour l'étude et la compréhension de l'inflammation et pour la caractérisation des combustibles. I1 est par ailleurs connu que la vitesse d'évaporation d'une goutte, c'est-à-dire sa perte de masse du liquide par unité de temps, est proportionnelle à sa surface. Cette règle est quelquefois appelée "la loi du d2". Par exemple, pour une goutte d'un composant liquide unique, placée dans une enceinte à température constante, l'évaporation varie linéairement en fonction du temps. Il en est donc également de même de sa surface. On sait également, par une approximation raisonnable, relier la surface S du volume de la goutte à la surface s de l'une de ses sections. Cette surface s est également la surface d'une image de la goutte, projetée par un système optique adapté, sur un photorécepteur plan. Jusqu'à présent, la mesure de la vitesse d'évaporation d'une goutte a été réalisée de la manière suivante. Une goutte était formée et faisait l'objet de photographies successives ou même d'une prise de film. Les photographies étaient ensuite exploitées manuellement, de manière à mesurer la surface de l'image de la goutte et à en déduire son volume en fonction du temps. Cette méthode présente de nombreux inconvénients qui la rendent imprécise et lente, et ne permettent pas sa diffusion vers des utilisateurs, qui ne sont pas nécessairement des spécialistes de la mesure. En particulier, l'introduction de la goutte dans une enceinte présente des difficultés, car sa température et son environnement sont instables pendant son introduction, et son volume a le plus souvent déjà considérablement diminué avant que ces conditions ne se soient stabilisées. De plus, les mesures réalisées sur les images de la goutte sont fastidieuses, doivent être nombreuses et restent imprécises. Le but de la présente invention est de remédier à ces difficultés, et de proposer un procédé et un dispositif qui permettent des mesures précises et fidèles, et ne nécessitant pas une mise en oeuvre par un spécialiste de la mesure. A cet effet, l'invention concerne un procédé de mesure de la vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation d'un carburant liquide dans lequel - on forme une goutte du carburant, et on la place dans un milieu gazeux environnant, - on forme l'image de cette goutte sur un récepteur optique plan, - on mesure la surface de cette image en fonction du temps, - on calcule la surface du volume de la goutte à partir de la surface de l'image, - on mesure simultanément la température du milieu gazeux environnant. Selon l'invention - la goutte de carburant est suspendue à un support pendant la mesure, et est placée dans une enceinte, - on déduit de la mesure de la surface du volume de la goutte, en fonction du temps, la constante de vaporisation de la goutte. Le support est avantageusement filiforme. I1 peut être un fil, un tube creux de faible dimension ou encore une aiguille. De préférence, pendant sa mise en place, la goutte est isolée thermiquement de son environnement. On évite, en particulier, les échanges thermiques par rayonnement et par convection. Selon le type de mesure que l'on cherche à réaliser, ce procédé est mis en oeuvre avec une enceinte close, ou au contraire avec convection forcée, l'enceinte étant traversée par un flux gazeux contrôlé. Selon une caractéristique complémentaire du procédé de l'invention, le point de départ de la mesure du délai d'inflammation est défini par une température de référence pouvant être la température du milieu gazeux au voisinage de la goutte, ou celle de la goutte, et la fin de ce délai est définie par une variation brusque de la pente de la courbe de vaporisation. L'invention concerne également un dispositif de mesure de la vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation d'un carburant liquide. Ce dispositif comprend - une enceinte munie de hublots, - des moyens de régulation et de mesure de la température du milieu gazeux à l'intérieur de l'enceinte. Selon l'invention, il comporte - au moins un support de goutte de carburant, - des moyens d'introduction et de guidage des supports de gouttes dans l'enceinte, - un récepteur optique plan, - des moyens de formation d'une image de la goutte sur le récepteur optique, - des moyens de mesure de la surface de l'image de la goutte, en fonction du temps, - des moyens de calcul de la surface du volume de la goutte et de la vitesse d'évaporation de la goutte à partir de la surface de l'image. Ce dispositif comporte, de préférence, un écran thermique isolant la goutte de carburant pendant son introduction dans l'enceinte. Cet écran thermique est avantageusement un tube, dans lequel la goutte est introduite. L'enceinte peut être close permettant la mesure dans des conditions stabilisées, ou au contraire elle peut comporter des moyens de production, de contrôle et de mesure d'une convection forcée au sein de l'enceinte. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la Figure 1 est une représentation de l'évolution du contour d'une goutte pendant son évaporation - la Figure 2 est une représentation schématique de l'ensemble du dispositif selon l'invention - la Figure 3 est une représentation schématique en pespective éclatée de l'enceinte et du système d'introduction d'une goutte - la Figure 4 est une vue en coupe de l'enceinte et du dispositif d'introduction de la goutte, pendant la formation de la goutte - la Figure 5 est une vue en coupe de l'enceinte et du dispositif d'introduction de la goutte, pendant le positionnement de la goutte - la Figure 6 est une vue en coupe de l'enceinte et du dispositif d'introduction de la goutte, pendant la mesure de la goutte - la Figure 7 est un exemple de courbe d'évolution de la surface d'une goutte, en fonction du temps, pendant son évaporation. La mesure de la vitesse d'évaporation d'un carburant liquide est faite sur une goutte de carburant. Cette goutte 1 est formée et déposée sur un support 2, par exemple à l'aide d'une seringue ou d'une pipette. Par approximation, le volume de la goutte 1 est supposé présenter une symétrie de révolution. Ainsi, la surface du volume de la goutte S est proportionnelle à sa surface projetée s. Ainsi, le coefficient K, constante de vaporisation d'une goutte, est égal à la pente de la courbe représentant la variation de la surface projetée s de la goutte 1 au cours du temps. Le procédé et le dispositif de l'invention permettent une mesure fidèle et précise de cette surface au cours du temps. Le support 2 de la goutte est avantageusement monté coulissant dans un porte-guidage 41. Le porte-guidage 41 est fixé sur l'enceinte 4 par l'intermédiaire d'un guidage 42 vissé sur l'une des faces de l'enceinte. Le porte-guidage 41 a une forme générale cylindrique. Il est percé d'une ouverture longitudinale postérieure 43, à l'intérieur de laquelle circule le support 2. La goutte 1 est déposée sur l'extrémité du support 2 dans la zone médiane 44 du porte-guidage 41. La zone médiane 44 est ouverte d'une part à sa partie supérieure pour permettre le dépôt de la goutte, et d'autre part à sa partie inférieure pour permettre l'évacuation d'une goutte qui, bien que déposée, ne serait pas restée accrochée au support 2. L'ouverture longitudinale antérieure 45 du porte-guidage 41 a un diamètre suffisant pour permettre la circulation du support 2 et de la goutte 1 qui y est accrochée. A cet effet, la goutte 1 est placée dans une enceinte 4 comportant des hublots transparents 5, 6. Le support 2 de la goutte est fixé par rapport aux parois de l'enceinte 4, de telle sorte que la goutte 1 soit placée, à l'intérieur de cette enceinte 4, entre les hublots 5 et 6. Un dispositif d'éclairage 7 comporte une source lumineuse 8 et un système optique 9. Ce dispositif de projection forme un faisceau 10, qui éclaire la goutte 1 au travers du hublot 5. Le dispositif optique 11 forme, au travers du hublot 6, une image de la goutte 1 sur le photorécepteur 12. Le système optique 11 et le photorécepteur 12 forment avantageusement une caméra 13. La direction commune du dispositif d'éclairage et de la caméra 13 est approximativement perpendiculaire à la direction d de coulissement du support 2. Un ordinateur 14 acquiert l'image projetée 15 de la goutte 1, est programmé de manière à mesurer la surface s de cette image, et en déduit, à une constante de proportionalité près, la surface S du volume de la goutte 1. L'ordinateur 14 reproduit ces opérations à intervalles de temps approximativement constants et produit, par exemple sur une table traçante, la courbe 16 représentant la variation de la surface S ou s en fonction du temps. L'ordinateur 14 peut extraire la pente de la partie rectiligne 17 de la courbe 16, qui est la valeur K de la constante de vaporisation de la goutte 1. Les effets parasites, susceptibles de provenir des perturbations et de l'instabilité engendrées lors de l'introduction de la goutte 1 de liquide à l'intérieur de l'enceinte 4, sont minimisées et pratiquement réduites à néant par l'utilisation de l'enceinte de l'invention. Cette enceinte comporte une ouverture d'introduction 20, inclinée approximativement de 20 à 40 par rapport à l'horizontale, et formée dans une paroi 21 de l'enceinte. Cette ouverture 20 a une dimension transversale supérieure à la dimension initiale de la goutte 1. La face 22 de l'enceinte 4, opposée à la face 21, est pourvue, en face de l'ouverture 20 et dans la direction de celle-ci, d'une ouverture 23 de section plus importante que celle de l'ouverture 20 et permettant l'introduction d'un tube 24, à l'intérieur duquel la goutte 1, sur son support, peut circuler librement dans la direction d de l'ouverture 20. Ce tube 24 forme un écran thermique protégeant la goutte 1 des échanges radiatifs avec l'enceinte 4, et limitant les échanges thermiques par convection lors de l'introduction de la goutte 1. Un alésage 25 est prévu dans la paroi 21 pour recevoir le tube 24 et stabiliser sa position pendant l'introduction de la goutte. Cet alésage est formé dans la paroi 21 à par-tir de l'intérieur de l'enceinte 4 et ne débouche pas vers l'extérieur. De préférence, le tube 24 est monté coulissant dans un tube-guide 51 fixé à la paroi 22 de l'enceinte 4 par l'intermédiaire d'un guidage 52 vissé sur celle-ci. Un manchon 53 entourant au moins partiellement le tubeguide 51, et auquel est fixé le tube-écran 24, facilite sa manipulation. L'enceinte 4 comporte un dispositif de chauffage avantageusement formé d'une platine 61, sur laquelle sont fixées une ou plusieurs bougies de chauffage 62-65. Il est placé à la partie supérieure de l'enceinte 4, de manière à éviter les mouvements de convection gazeux dans celle-ci. L'enceinte est avantageusement modulaire, des éléments réfractaires 66-70 recouvrent ses faces 71-76. Les hublots 5, 6 sont fixés sur celle-ci par les bagues 77, 78. La réalisation d'une mesure est donc effectuée selon le procédé suivant. Le support 2 de goutte étant extrait de l'enceinte 4, une goutte 1 est déposée à son extrémité à 1 l'aide d'une seringue ou d'une pipette. Le tube 24 est mis en place par l'ouverture 23 formée dans la paroi 22 de l'enceinte 4, jusqu'à ce qu'il vienne en appui au fond de l'alésage 25. Le support de goutte est alors introduit par l'ouverture 20 formée dans la paroi 21 de l'enceinte 4, jusqu'à ce que son extrémité 26, opposée à la goutte 1, soit fixée sur la paroi 21. Le tube 24 formant écran thermique est alors retiré par l'ouverture 21. Le dispositif d'éclairage 7 est alors actionné, et la caméra 13 procède aux acquisitions des images de la projection 15 de la goutte. L'ordinateur 14 trace la courbe 16 et extrait la-valeur K, constante de vaporisation de la goutte. Pendant cette mesure, la goutte 1 est dans la position représentée sur la Figure 4, positionnée entre les hublots 5 et 6 de l'enceinte 4. La courbe représentée sur la Figure 5 est une courbe résultant de mesures réelles et sans qu'il ait été nécessaire de lisser les résultats. La surface s de la projection de la goutte est représentée en ordonnée, et le temps est représenté en abcisse. Cette courbe confirme les résultats que la théorie permettait d'attendre et montre la bonne linéarité de la fonction s (t). De telles courbes peuvent être obtenues pour différentes températures de l'enceinte 4 et, selon l'objectif recherché, en atmosphère stable ou avec une convection forcée. Dans ce dernier cas, la vitesse du flux gazeux traversant l'enceinte est de préférence mesurée. Le programme de l'ordinateur 14 permettant la mesure de la surface projetée s de la goutte 1 procède en faisant une approximation de cette surface, la définition du contour et une sommation d'une série de trapèzes. On a obtenu de bons résultats en définissant le contour à l'aide d'environ 80 points, ce qui peut être réalisé avec un micro-ordinateur facilement accessible de nos jours. Le procédé et le dispositif de l'invention permettent également une mesure précise du délai d'inflammation. Le point de départ de ce délai est, par exemple, un niveau de température du milieu gazeux au voisinage de la goutte, préalablement consigné. La fin de ce délai est un changement brusque de la pente de la courbe de vaporisation, en fonction du temps. A titre indicatif, l'enceinte 4 peut être approximativement un cube de 15 cm de côté. On fait généralement des mesures de constantes de vaporisation pour des températures allant jusqu'à 900" C. Il est souhaitable qu'un thermostat assure la stabilisation de cette température de l'enceinte 4 à environ 10 C près. Le support 2 de goutte est, de préférence, un fil d'environ 0,1 mm de diamètre, il peut être en quartz ou en céramique. Le tube-écran est en céramique, il a un diamètre intérieur de l'ordre de 10 mm, et le diamètre, au maximum à l'origine de la goutte 1, est de l'ordre de 1 à 2 mm. Dans une disposition particulièrement intéressante, le support 2 est un thermocouple. Il est ainsi possible de mesurer la température de la goutte elle-même, en plus ou à la place de la mesure de la température à son voisinage. On comprend aisément qu'il est possible de placer, dans une même enceinte 4, plusieurs supports 2 de gouttes et donc d'étudier, non seulement le comportement d'une goutte isolée, mais aussi ses interactions avec d'autres gouttes. Nous l'avons vu, le procédé et le dispositif de l'invention permettent une mesure précise et fidèle de la constante de vaporisation d'une goutte. Ce type de mesure et sa normalisation éventuelle permettent d'envisager le classement objectif des différents carburants étudiés ou commercialisés, en fonction de leur aptitude à la vaporisation et à l'inflammation. Une telle référence objective est susceptible d'intéresser aussi bien les producteurs (les pétroliers), que les organismes de recherche ou les utilisateurs de produits pétroliers. La Figure 1 représente, superposées sur le même schéma, les différentes formes 30 à 37 de la goutte au cours de sa vaporisation. L'expérience, conforme à la théorie, a montré que les constantes de vaporisation K, mesurées selon le procédé et le dispositif décrits, sont indépendantes du volume initial de la goutte. Les signes de référence, insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation d'un carburant liquide dans lequel - on forme une goutte du carburant, et on la place dans un milieu gazeux environnant, - on forme l'image de cette goutte sur un récepteur optique plan, - on mesure la surface de cette image en fonction du temps, - on calcule la surface du volume de la goutte à partir de la surface de l'image, - on mesure simultanément la température du milieu gazeux environnant, caractérisé en ce que - la goutte de carburant est suspendue à un support pendant la mesure, et est placée dans une enceinte, - on déduit de la mesure de la surface du volume de la goutte, en fonction du temps, la constante de vaporisation de la goutte. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est filiforme. 3. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la goutte est isolée thermiquement pendant sa mise en place dans l'enceinte. 4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pendant la mesure, l'enceinte est close. 5. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pendant la mesure, l'enceinte est traversée par un flux gazeux contrôlé. 6. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le point de départ de la mesure du délai d'inflammation est défini par une température de référence pouvant être la température du milieu gazeux au voisinage de la goutte, ou celle de la goutte, et en ce que la fin de ce délai est définie par une variation brusque de la pente de la courbe de vaporisation. 7. Dispositif de mesure de la vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation d'un carburant liquide comprenant - une enceinte (4) munie de hublots (5, 6), - des moyens de régulation et de mesure de la température du milieu gazeux à l'intérieur de l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins un support (2) de goutte (1) du carburant, - des moyens (41-45) d'introduction et de guidage des supports de gouttes dans l'enceinte, - un récepteur optique plan (12), - des moyens (11) de formation d'une image de la goutte sur le récepteur optique, - des moyens (14) de mesure de la surface de l'image de la goutte, en fonction du temps, - des moyens (14) de calcul de la surface du volume de la goutte et de la vitesse d'évaporation de la goutte à partir de la surface de l'image. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un écran thermique (24) isolant la goutte de carburant pendant son introduction dans l'enceinte. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'écran thermique (24) est un tube, dans lequel la goutte est introduite. 10. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'enceinte (4) est close. 11. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de production, de contrôle et de mesure d'une convection forcée au sein de l'enceinte (4).