Brevet FR2714473A1 — publié le 19950630

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer précisément les quantités d'air injectées dans un moteur à combustion interne, qui participent à la combustion, en utilisant une admission d'une substance de marquage telle qu'un "traceur" gazeux. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de mieux analyser les effets d'admission d'air et de contrôler les phénomènes de combustion intervenant au cours des cycles de fonctionnement de moteurs à deux ou quatre temps. On sait qu'il existe de nombreux cas où une partie de l'air qui peut être injecté dans les cylindres d'un moteur ne participe pas à la combustion dans les cylindres. I1 est connu par exemple que, dans les moteurs suralimentés, une partie de l'air injecté par les tubulures d'admission peut s'échapper directement hors du cylindre durant l'intervalle de temps de croisement des soupapes du fait que la pression d'admission est supérieure à la pression dans les conduites d'échappement. I1 est connu aussi qu'une admission d'air frais dans les circuits d'échappement des moteurs ou I.A.E, permet un meilleur contrôle des rejets nocifs et contribue à une meilleure stabilité de leur fonctionnement. L'entrée effective dans les cylindres se produit durant la période de croisement des soupapes d'admission et d'échappement du voisinage du point mort haut PMH, quand la pression dans les chambres de combustion redevient inférieure à celle qui règne dans les tubulures d'échappement. Une partie de cette masse d'air frais injecté dans les circuits d'échappement, pénètre effectivement dans les chambres de combustion et une autre est directement évacuée. On sait aussi que dans les moteurs à deux temps, une partie de l'air s'échappe directement hors du cylindre sans participer à la combustion durant l'intervalle de temps où les lumières d'admission et d'échappement sont toutes deux découvertes par le retrait du piston. Dans tous les cas, il est très utile aux motoristes de connaître la proportion de l'air injecté dans un moteur qui participe directement et effectivement à la combustion. Une technique connue, utilisée dans le cas de moteurs fonctionnant constamment avec des mélanges carburés riches et homogènes, consiste à mesurer le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement, pour déterminer la proportion de l'air injecté qui n'a pas participé à la combustion dans les cylindres. Cependant, si les moteurs testés fonctionnent avec des mélanges pauvres ou bien hétérogènes, ce procédé de mesure du taux d'oxygène ne donnent pas de résultats significatifs. Une autre technique connue, décrite par exemple par le brevet FR-A- 2 533 316 du demandeur, consiste à utiliser une substance de marquage telle qu'un gaz traceur pour l'étude de la combustion dans un moteur. Des substances de marquage absorbant les rayons ultra-violets sont ajoutés dans le carburant et l'on détermine leur taux dans les gaz d'échappement, par analyse de rayonnement, une augmentation de ce taux traduisant une combustion imparfaite. I1 peut s'agir de substances aromatiques telles que du benzène ou du toluène par exemple, ou d'autres substances telles que par exemple des groupements chromophores linéaires ou cycliques qui normalement sont détruites par la combustion. Le procédé selon l'invention permet de déterminer la proportion d'air admise dans un moteur à combustion interne, comportant au moins un cylindre, des circuits d'admission de air et des circuits d'échappement des gaz brûlés, qui est effectivement présente dans le cylindre durant la combustion. I1 est caractérisé en ce que: - on mêle à l'air injecté, avec une concentration définie (connue au préalable ou mesurée à l'admission), une substance de marquage sélectionnée ayant la propriété de se décomposer à la température régnant dans chaque cylindre durant les phases de combustion, telle que du protoxyde d'azote N2O par exemple, et - on détermine la quantité d'air additionné de cette substance effectivement présente dans le cylindre durant la combustion, par comparaison de cette concentration définie avec la concentration résiduelle de la substance, mesurée dans les gaz d'échappement. L'air additionné de cette substance de marquage, peut être injecté dans les circuits d'échappement ou les circuits d'admission d'un moteur à quatre temps ou encore dans les circuits d'admission d'un moteur à deux temps. Le procédé d'admission d'air additionné de la substance de marquage, dans les circuits d'admission s'applique notamment dans les moteurs où la pression d'admission de l'air est en moyenne supérieure à la pression d'échappement des gaz brûlés, tels que les moteurs suralimentés. L'invention concerne aussi un dispositif pour pour déterminer la proportion d'air admise dans les circuits d'admission ou d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre ,qui est effectivement présente dans le cylindre durant la combustion, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens d'admission d'air additionné avec une concentration connue, d'une substance de marquage à l'air injecté, des moyens pour mesurer le taux effectif de la substance dans les gaz brûlés, et un processeur pour déterminer, par comparaison desdits taux effectifs, la quantité d'air injecté qui n'a pas participé à la combustion dans ledit cylindre. Ces moyens d'admission d'air additionné de la substance de marquage, comportent des éléments disposés dans les circuits d'admission ou dans les circuits d'échappement de moteurs à quatre temps ou dans les circuits d'admission de moteurs à deux temps. Ces moyens d'admission peuvent comporter aussi par exemple des moyens pour mesurer le taux effectif de la substance de marquage dans l'air admis dans chaque cylindre. Ces moyens de mesure peuvent mesurer séparément les taux dans les circuits d'admission ou d'échappement ou être associés à des moyens de commutation pour les mesurer alternativement dans les circuits d'admission et d'échappement. Les moyens de mesure des taux comportent par exemple des détecteurs optiques tels que des absorptiomètres à rayons infra-rouges et/ou des moyens de dosage pour former une masse d'air avec la concentration définie de la substance de marquage. On a pu vérifier que le procédé et le dispositif selon l'invention permettaient une mesure précise des quantités d'air injectées dans les cylindres, qui sont effectivement présentes dans le cylindre durant la combustion. et par voie de conséquence une analyse plus fine des effets de cette admission sur la teneur des gaz brûlés en composants nocifs ainsi que de la stabilité du moteur. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où: - la Fig.l est un schéma fonctionnel d'une circulation de gaz entre les circuits d'admission et d'échappement d'un moteur quelconque; - la Fig.2 illustre schématiquement un premier mode de mise en oeuvre du procédé dans un moteur où l'air que l'on admet par les tubulures d'admission, comporte de l'air additionné d'une substance de marquage; - la Fig.3 illustre schématiquement un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, dans un moteur où l'on admet de l'air additionné d'une substance de marquage dans les tubulures d'échappement; et - la Fig.4 montre schématiquement un troisième mode de mise en oeuvre du procédé, dans un moteur à deux temps. Une partie Mcyl de la masse d'air totale Ma qui est effectivement admise ou injectée dans les tubulures d'un moteur à combustion interne (Fig.1), que ce soit par les tubulures d'admission ou d'échappement, participe à la combustion. Une autre partie Mcc de cette masse d'air ne participe pas à la combustion. I1 s'agit par exemple d'air carburé qui s'échappe directement des cylindres durant des périodes de croisement de soupapes (moteurs à quatre temps) ou de communication intermittente entre des lumières d'admission et d'échappement permise par l'abaissement du piston (moteur à deux temps). I1 peut s'agir encore d'une partie de l'air injecté dans les tubulures d'échappement et qui ne pénètre pas effectivement dans les cylindres. On a: Ma = Mcc + Mcyl Si l'on connait ces deux proportions, on peut donc calculer le rendement de livraison h h = Mcyl/Ma, Le procédé selon l'invention comporte l'adjonction à l'air admis ou injecté, dans une proportion définie, d'une substance de marquage sélectionnée ayant la propriété de: - se décomposer à la température élevée régnant dans les cylindres durant les phases de combustion; et - de rester intact aux températures inférieures qui règnent dans les tubulures d'échappement. On utilise par exemple du protoxyde d'azote N2O. On veille à éliminer tout autre cause de dégradation de la substance de marquage et notamment la présence de substances telles que des oxydes métalliques par exemple, qui sont susceptibles de catalyser cette décomposition. La masse d'air (Mcyl) additionnée de cette substance ayant effectivement participé à la combustion et donc aussi la masse complémentaire Mcc, peuvent alors être obtenues par comparaison des taux de cette substance respectivement mesurés dans l'air admis et dans les gaz d'échappement. Le moteur à combustion interne M schématisé aux Fig.2, 3, comporte des circuits A d'admission de air et des circuits E d'échappement des gaz brûlés. Les circuits d'admission A communiquent avec un ensemble 1 d'admission d'air Suivant le mode de mise en oeuvre de la Fig.1, on admet dans l'ensemble d'admission 1, de l'air issu d'un réservoir 2, cet air étant additionné d'une substance de marquage G dans une proportion connue. On choisit une substance a) qui est absente dans les carburants généralement utilisés et dans les gaz brûlés, et b) qui se dégrade ou se transforme sous l'action de la chaleur de combustion. La substance utilisée est par exemple du protoxyde d'azote N20 qui, sous l'action de la température élevée régnant dans les chambres de combustion, se décompose en donnant de l'azote N2 et de l'oxygène 02 comme il est bien connu. En dérivation sur une tubulure 3 faisant communiquer le réservoir 2 avec l'ensemble d'admission 1 par exemple, on branche un organe de mesure 4 tel par exemple qu'un absorptiomètre à infra-rouge d'un type connu, pour mesurer le taux effectif du gaz traceur dans l'air du mélange admis En dérivation sur le collecteur d'échappement du moteur, également, on branche un organe de mesure 5 analogue à 4, pour mesurer le taux effectif du gaz traceur dans les gaz d'échappement. Les signaux de mesure délivrés par les organes de mesure 4, 5, sont appliqués à un processeur de calcul 6 qui compare les taux respectivement mesurés et détermine la proportion d'air injecté ayant effectivement pénétré dans les cylindres et effectivement participé à la combustion. Cet agencement peut être utilisé notamment pour l'étude de moteurs suralimentés où, du fait d'une pression d'admission élevée, une proportion notable d'air s'échappe directement au moment du croisement des soupapes d'admission et d'échappement. Par comparaison des taux de N20 à l'admission et l'échappement, on peut calculer le rapport Mcc/ Ma. Le procédé peut également être utilisé dans le cas où, suivant une technique connue, on injecte de l'air frais dans les circuits d'échappement E des moteurs (injection d'air à l'échappement ou I.A.E), de façon à mieux contrôler les rejets nocifs et mieux stabiliser leur fonctionnement. Selon les cas, cette injection d'air frais est effectuée en permanence ou bien seulement durant la période de croisement des soupapes d'admission et d'échappement du voisinage du point mort haut PMH, quand la pression dans les chambres de combustion redevient inférieure à celle qui règne dans les tubulures d'échappement. Une partie m(cyl) de la masse M(I.A.E) d'air frais injectée dans les circuits d'échappement pénètre effectivement dans les chambres de combustion et une autre partie m(cc) est directement évacuée. Si on mesure dans ce cas, le rapport des taux de la substance de marquage dans les gaz d'échappement et dans l'air injecté à l'échappement (ou air I.A.E), on obtient directement la valeur en masse du rapport m(cc)/M(I.A.E)? Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans ce cas, en utilisant ici le mode de réalisation de la Fig.3. On fait déboucher un conduit cl, c2, c3 ou c4 etc dans chaque pipe d'échappement el, e2, e3 ou e4, etc ces conduits communiquant par une tubulure commune tl alimenté par un réservoir 7 contenant de l'air additionné d'une substance de marquage telle que du protoxyde d'azote. La sortie du réservoir 7 communique avec la tubulure commune tl. Un organe 8 de mesure de la concentration de gaz de marquage dans l'air injecté est branché en parallèle sur la tubulure tl. En parallèle sur le collecteur d'échappement t2 par exemple, on branche un organe de mesure 9 pour mesurer la concentration de gaz traceur dans les gaz d'échappement. Les signaux de mesure délivrés par les organes de mesure 8, 9, sont appliqués à un processeur de calcul 10 qui compare les taux respectivement mesurés et détermine la proportion d'air injecté ayant pénétré effectivement dans les cylindres. L'air additionné de la substance de marquage ou "traceur", qui est admis dans les conduits cl à c4, est selon les cas injecté en permanence ou bien aspiré dans les cylindres durant l'intervalle d'ouverture de chaque soupape d'échappement (i.e au voisinage du point mort haut PMH), quand la pression dans les chambres de combustion devient inférieure à celle qui règne dans les pipes d'échappement el à e4. Sous l'influence de la température, le gaz traceur se dégrade, ce qui modifie la proportion dans le mélange intialement injecté. Par une mesure du taux effectif de gaz traceur dans les gaz brûlés, et une comparaison avec le taux correspondant dans les gaz injectés, on peut donc établir quelle quantité d'air a pénétré à l'intérieur des cylindres et participé à la combustion. Le procédé peut également s'appliquer dans le cas d'un moteur à deux temps (Fig .4). L'abaissement du piston 11 jusqu'au voisinage du point mort bas PMB a pour effet, on le sait, de découvrir en même temps les lumières 12, 13 par où les tubulures d'admission a et les tubulures d'échappement e respectivement débouchent dans le cylindre 14. Une partie de l'air carburé injecté a ainsi le temps de s'échapper par la tubulure e avant que celle-ci ne soit recouverte. Comme précédemment, I'addition à la masse d'air injectée Ma, d'une substance de marquage décomposable à la température de la flamme dans les cylindres, et la mesure des taux respectifs de cette substance dans les tubulures a et e respectivement, au moyen de sondes optiques (non représentées) permet encore de calculer les proportions Mcyl et Mcc. Les modes de réalisation qui ont été décrits comportent des moyens 4, 8 de mesure de la concentration de la substance de marquage G dans l'air injecté. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en utilisant de l'air dont la concentration en gaz de marquage est bien déterminée et constante. Le mélange d'injection peut être obtenu par exemple par dilution du gaz de marquage dans de l'air par des moyens de dosage d'un type connu permettant d'obtenir des concentrations précises tels que des cols soniques. Dans les modes de réalisation qui ont été décrits, on utilise des moyens pour mesurer séparément les concentrations de gaz de marquage dans l'air admis et les gaz d'échappement. On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en utilisant à chaque fois un seul analyseur tel que 4 ou 5 que l'on commuterait alternativement en dérivation sur les tubulures d'admission et d'échappement. REVENDICATIONS 1) Procédé pour déterminer la proportion d'air admise dans un moteur à combustion interne (NI), comportant au moins un cylindre, des circuits d'admission de air et des circuits d'échappement des gaz brûlés, qui est effectivement présente dans ledit cylindre durant la combustion, caractérisé en ce que: - on mêle à l'air admis dans le moteur, avec une concentration définie, une substance de marquage sélectionnée (G) ayant la propriété de se décomposer à la température régnant dans chaque cylindre durant les phases de combustion, et - on détermine la quantité d'air additionné de cette substance effectivement présente dans ledit cylindre durant la combustion, par comparaison de ladite concentration définie avec la concentration résiduelle de la substance, mesurée dans les gaz d'échappement. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte de l'air additionné de ladite substance de marquage, dans les circuits d'échappement d'un moteur à quatre temps. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on admet de l'air additionné de ladite substance de marquage, dans les circuits d'admission d'un moteur à quatre temps. 4) Procédé selon la revendications précédente, caractérisé en ce que l'on admet de l'air additionné de ladite substance, dans les circuits d'admission d'un moteur à deux temps. 5) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on admet de l'air additionné de ladite substance, dans un moteur où la pression d'admission de l'air est en moyenne supérieure à la pression d'échappement des gaz brûlés. 6) Procédé selon l'une des revendiocations précédentes, caractérisé en ce que l'on marque l'air injecté par addition de protoxyde d'azote N20. 7) Dispositif pour déterminer la proportion de l'air admis dans les circuits d'admission (a) ou les circuits d'échappement (e) d'un moteur à combustion interne (M) comprenant au moins un cylindre, qui est effectivement présente dans ledit cylindre durant la combustion, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens d'admission d'air additionné avec une concentration connue, d'une substance de marquage ayant la propriété de se décomposer à la température régnant dans chaque cylindre durant les phases de combustion, des moyens (5, 9) pour mesurer la concentration résiduelle de la même substance dans les gaz brûlés, et un processeur (6, 10) pour déterminer ladite proportion par comparaison de ladite concentration résiduelle et de ladite concentration connue. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'admission d'air comportent des éléments (2, 3) disposés dans les circuits d'admission (a). 9) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'admission d'air comportent des éléments (7, tl) disposés dans les circuits d'échappement (e). 10) Dispositif selon l'une des revendications 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens d'admission d'air comportent des moyens (4, 8) pour mesurer la concentration effective de la substance de marquage dans l'air admis dans ledit cylindre. 11) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la concentration de la substance de marquage associés à des moyens pour brancher lesdits moyens de mesure alternativement sur les circuits d'admission et d'échappement. 12) Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens (4, 5, 8, 9) de mesure desdites concentrations comportent des détecteurs optiques. 13) Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que lesdits moyens (4, 5, 8, 9) de mesure desdites concentrations comportent des absorptiomètres à rayons infrarouges. 14) Dispositif selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que les moyens d'admission d'air comportent des moyens de dosage pour former une masse d'air contenant une concentration définie de ladite substance. 15) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de dosage comportent des cols soniques. 16) Application du dispositif à un moteur à quatre temps. 17) Application du dispositif à un moteur à deux temps.