Brevet FR2739449A1 — publié le 19970404

Dans le domaine des moteurs alternatifs à combustion interne (diesel ou essence) le rendement dépend pour une part de la qualité de la combustion qui elle-même est fonction de la qualité du mélange comburant-carburant admis dans la chambre de combustion. Des études ont montré que la qualité du mélange est directement liée au champ de vitesse de l'écoulement dans la chambre de combustion à l'aspiration et notamment à la composante rotative de ce champ. Cette rotation, ou turbulence, est appelée swirl" et on sait caractériser ce swirl par un coefficient de swirl" utilisé par les constructeurs notamment pour le contrôle de chaque moteur par comparaison avec un coefficient de référence obtenu sur un moteur (culasse) de référence. L'un des appareils utilisés pour l'obtention et la comparaison de ces coefficients est un torquemètre comportant une structure tournante (moulinet ou nid d'abeille) placé dans un écoulement gazeux d'admission au travers des ouvertures d'admission de la culasse équipées des soupapes correspondantes, canalisé sous la culasse dans une chemise cylindrique où se trouve le corps tournant. Cet appareil présente de nombreux inconvénients. D'abord il lui est impossible de caractériser quantitativement un swirl du fait même de sa conception qui suppose des simplifications et des approximations des paramètres pris en compte. En outre, la présence de ce corps tournant dans la totalité de la section de la veine gazeuse engendre une perturbation non négligeable de celle-ci qui fausse sensiblement le résultat obtenu.Enfin c'est un appareil encombrant qui ne permet pas de tester l'ensemble des chambres d'un moteur (d'une culasse) en une seule opération, les entraxes des chambres étant trop faibles pour loger autant d'appareils que de chambres. Par l'invention on propose un autre appareil qui permet, du fait d'un encombrement beaucoup plus réduit, d'être implanté dans l'espace défini par les entraxes des chambres et qui rend possible le contrôle d'une culasse entière en une seule opération. Tout en permettant d'obtenir le coefficient de swirl des appareils actuels, donc de s'y substituer dans les opérations comparatives de contrôle, il possède l'avantage de permettre la détermination du nombre de swirl réel ainsi que toutes les définitions approchées qui ont été établies dans la littérature. Il présente enfin l'intérêt de n'introduire qu'une perturbation négligeable dans l'écoulement observé. A cet effet, l'invention a donc pour objet un dispositif de contrôle et/ou de mesure de la turbulence dans une chambre de combustion d'un moteur thermique, délimitée partiellement par une culasse portant des ouvertures d'admission, comportant au moins une chemise cylindrique dont l'une des extrémités axiales est prévue pour être coiffée par la paroi de la chambre de combustion portée par la culasse du moteur, des moyens pour engendrer une circulation de gaz dans la chemise et à travers au moins une ouverture d'admission, ce dispositif comportant une sonde longitudinale implantée radialement dans la chemise, pourvue d'au moins deux canaux internes séparés communiquant avec le volume intérieur de la chemise par deux débouchés disposés dans un plan parallèle à l'axe de la chemise et, dans ce plan, sécants mutuellement et avec l'axe longitudinal de la sonde, et un manomètre différentiel dont chaque entrée est raccordée à un canal interne respectif de la sonde. La sonde en question fonctionne comme un tube de Pitot. Elle est spécialement adaptée au contrôle du coefficient de swirl par comparaison avec une chambre de référence. Ainsi, avec la chambre de référence, on fixe la position de la sonde pour obtenir une différence de pression nulle aux bornes du manomètre dif différentiel au point de vitesse maximale. Ainsi réglé, on place le dispositif au droit de chacune des chambres à contrôler. Si l'indication du manomètre différentiel est nulle le "nombre de swirl" ou le "coefficient de swirl" de la chambre contrôlée sera considéré comme acceptable.A partir des mesures effectuées dans la chambre de référence d'un moteur test, et pour répondre aux multiples interprétations de sa définition de base, la valeur du "nombre de swirl" réel ou approché, la valeur du "coefficient de swirl" usuel des motoristes pourra être affichée. Si en revanche une différence apparaît aux bornes de ce manomètre, le "coefficient de swirl" sera forcément différent de celui de la chambre de référence et cette différence pourra constituer un critère de refus dans une chaîne de contrôle. Dans une variante de réalisation du dispositif de l'invention, il sera possible de quantifier la variation du "nombre de swirl" ou du "coefficient de swirl" usuel en fonction de la variation de pression enregistrée aux bornes du manomètre précédent. A cet effet, la sonde comprend un troisième canal interne dont le débouché est situé sur la bissectrice de l'angle formé par les axes sécants des débouchés précédents, et un second manomètre différentiel dont chaque entrée est raccordée respectivement au troisième canal et à l'un des canaux précédents. Le troisième orifice permet d'obtenir la pression d'arrêt de l'écoulement et le second manomètre différentiel délivre alors une valeur directement liée à la vitesse de l'écoulement au point de mesure. En prenant en compte les propriétés directionnelles de l'instrument de mesure on peut appréhender la variation du "coefficient de swirl" par rapport à sa valeur dans le moteur test. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description des exemples de réalisation donnés ci-après à titre non iimitatif. I1 sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un premier mode de réalisation de l'invention dans son utilisation pour le contrôle des moteurs, - la figure 1A est une vue de détail de ce premier mode de réalisation, - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un second mode de réalisation de l'invention dans son utilisation pour obtenir une valeur quantifiée d'une variable reliée au swirl d'une chambre de combustion, - la figure 2A illustre un détail de ce mode de réalisation. A la figure 1 on a représenté une culasse 1 qui définit, partiellement, une chambre de combustion 2 dans laquelle aboutit un canal d'admission 3 pourvu d'une soupape 4. Sous la culasse, pour simuler le cylindre du moteur, on a placé une chemise cylindrique 5, fermée à l'une de ses extrémités axiales par la culasse 1 et dont l'autre extrémité axiale est connectée à un aspirateur 6 qui permet lorsqu'vil est en service d'engendrer un écoulement de gaz à l'intérieur de la chemise cylindrique 5 en provenant de l'ouverture d'admission que forme le débouché du canal 3 dans la chambre de combustion 2 autour de la tête de la soupape 4. Le dispositif comporte également une sonde 7 formée par un corps cylindrique allongé à l'intérieur duquel sont ménagés deux canaux 8 et 9. A proximité d'une extrémité de la sonde ces canaux 8 et 9 possèdent un débouché 10, 11 formé chacun par un orifice radial sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 12 de la sonde 7. Ces débouchés 10 et 11 sont contenus dans un plan P parallèle à l'axe de la chemise cylindrique 5, et sont orientés de manière que leur axe soit dans ce plan P sécant au point ae ieur rencontre avec l'axe longitudinal 12 de la sonde. La figure 1A est une coupe de la sonde par le plan P. A une autre extrémité de la sonde 7 les canaux internes 8 et 9 sont reliés à un manomètre différentiel 13. L'extrémité de la sonde pourvue des débouchés 10 et 11 s'étend à l'intérieur du volume délimité par la chemise cylindrique 5 de sorte que la pression qui règne dans ces débouchés est influencée par l'écoulement E engendré dans le cylindre 5 par l'aspirateur 6. En faisant tourner la sonde autour de son axe longitudinal on peut disposer les débouchés 10 et 11 de manière que la pression qui règne dans chacun d'eux soit égale et que le manomètre différentiel 13 soit dans son état équilibré représenté à la figure 1. Cette condition est obtenue lorsque la vitesse V de l'écoulement au point de mesure est orientée selon la bissectrice de l'angle que forme dans le plan P les débouchés 10 et 11. Comme cela sera évoqué plus loin, la vitesse V est un des paramètres qui permet de caractériser le swirl d'un moteur. L'équilibre des pressions dans les débouchés 10 et 11 des conduits 8 et 9 obtenu en regard d'une chambre de combustion de référence constitue une valeur repère pour quantifier un coefficient de swirl qualifié de référence puisqu'étant celui calculé dans un moteur de référence à partir des profils de vitesse. Pour procéder à des opérations de contrôle, il suffit donc d'équiper une chemise 5 d'une sonde 7 mise en position de manière identique à celle utilisée pour obtenir la valeur de référence et à placer cette chemise 5 en-dessous de la chambre 2 à vérifier, dans la même orientation angulaire (autour de l'axe de la chemise) par rapport à cette chambre 2 et de constater l'équilibre ou le déséquilibre du manomètre différentiel. La constatation de l'équilibre conduit à décider que la chambre contrôlée est acceptable parce que présentant un coefficient de swirl égal à celui de référence. La consta tation d'un déséquilibre du manomètre différentiel constitue un critère pouvant conduire sur une ligne de contrôle à déclarer de la chambre contrôlée non conforme. Bien entendu il faut que les conditions de contrôle soient strictement identiques aux conditions opératoires réalisées avec la chambre de combustion de référence et il sera pris toutes les précautions utiles pour que notamment la circulation gazeuse à l'intérieur de la chambre 5 réponde aux mêmes conditions que celle réalisée lors la mesure de référence. A la figure 2, certains des éléments déjà décrits au regard de la figure précédente portent les mêmes références. Dans ce cas la sonde 7 possède un troisième canal interne 14 dont le débouché 15 est situé sur la bissectrice de l'angle que forment, dans le plan P, les débouchés 10 et 11 des canaux 7 et 8. Ce canal 14 est connecté à l'entrée d'un second manomètre différentiel 16, une autre entrée de ce manomètre différentiel étant elle raccordée à l'un des canaux 8 ou 9. La sonde de la figure 2 peut être réglée, lorsqu'elle est implantée dans la chemise 5, angulairement autour de son axe pour obtenir l'équilibre du manomètre différentiel 13. Dans cet état, le manomètre différentiel 16 indique la pression d'arrêt détectée par le débouché 15, cette pression étant directement liée à la vitesse V de l'écoulement E. La valeur de cette vitesse V n'est pas uniforme selon la position radiale du point de mesure. En effet plus on est près de l'axe de la chemise 5 et plus cette vitesse est faible. En éloignant le point de mesure de cet axe on constate que cette vitesse passe par un maximum pour ensuite décroître compte tenu du fait que la veine gazeuse est, au voisinage de la surface intérieure de la chemise cylindrique 5, freinée par frottement.On peut donc par la sonde de la figure 2 trouver la valeur maximale enregistrée par le manomètre différentiel 16 correspondant donc à ia vitesse maximale de la veine gazeuse au point de mesure. C'est ainsi que l'on peut déterminer le "nombre de swirl réel" ou le coefficient de swirl classique des motoristes et la position de référence de la sonde à l'égard d'une culasse de référence pour ensuite la reproduire dans un dispositif de contrôle tel que celui représenté à la figure 1. Par ailleurs, en traitant la valeur de la pression d'arrêt, et connaissant les propriétés directionnelles de la sonde on peut quantifier une variation du swirl dans la section choisie par rapport à sa valeur mesurée en cylindre test. Enfin, on notera que la sonde 7 doit être distante de l'extrémité de la chemise 5 couverte par la culasse d'une valeur au moins égale au double du diamètre intérieur de cette chemise afin d'être à l'extérieur de zones de turbulences secondaires qui sont localisées en haut de la chemise 5. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle et/ou de mesure de la turbulence (swirl) dans la chambre de combustion d'un moteur thermique délimité partiellement par une culasse (1) portant des ouvertures d'admission, comportant au moins une chemise cylindrique (5) dont une des extrémités axiales est prévue pour être coiffée par la paroi de la chambre de combustion (2) portée par la culasse (1) du moteur, des moyens (6) pour engendrer une circulation de gaz dans la chemise et à travers au moins une ouverture d'admission, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (7) longitudinale implantée radialement dans la chemise (5) pourvue d'au moins deux canaux internes (8, 9) séparés, communiquant avec le volume intérieur de la chemise (5) par deux débouchés (10,11) disposés dans un plan (P) parallèle à l'axe de la chemise (5) et, dans ce plan (P) sécants mutuellement et avec l'axe longitudinal (12) de la sonde et un manomètre différentiel (13) dont chaque entrée est raccordée à un canal (8,9) interne respectif de la sonde (7) . 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde (7) comprend un troisième canal interne (14) dont le débouché (15) est situé sur la bissectrice de l'angle formé par les axes sécants des débouchés (10, 11) précédents et un second manomètre différentiel (16) dont chaque entrée est raccordée respectivement au troisième canal (14) et à l'un des canaux précédents (8, 9). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'enfoncement radial de la sonde (7) au travers de la chemise (5) est réglable. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la sonde (7) est située à une distance de la culasse (1) au moins égale au double du diamètre de la chemise (5).