Brevet FR2752617A1 — publié le 19980227

L'invention concerne un procédé de visualisation d'un écoulement gazeux, permettant notamment l'estimation de la vitesse de l'écoulement. L'invention concerne également l'application d'un tel procédé à la visualisation d'un écoulement gazeux dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. II existe de nombreux procédés qui permettent d'obtenir des informations relatives à un écoulement gazeux à l'intérieur d'une enceinte. Toutefois, la plupart des procédés connus ne permettent d'obtenir que de manière très ponctuelle une vitesse locale de l'écoulement, sans toujours fournir des informations quant à l'orientation de cette vitesse locale. II existe également des procédés qui permettent de déterminer de manière plus précise un champ de vitesses de l'écoulement à l'intérieur de l'enceinte mais ceux-ci font généralement appel à des dispositifs complexes à mettre en oeuvre. II est particulièrement délicat de déterminer la circulation de fluide à l'intérieur d'une chambre de combustion de moteur de véhicule automobile. En effet, si on veut que la mesure soit réellement représentative, il est nécessaire d'opérer sur un cylindre du moteur entièrement équipé, c'est-àdire dans lequel se déplacent à la fois le piston et les soupapes d'admission et d'échappement de manière à recréer l'écoulement qui règne à l'intérieur de la chambre de combustion en utilisation normale. II faut donc que le dispositif qui permet de mesurer ces écoulements perturbe le moins possible le fonctionnement des différents éléments mobiles et l'écoulement proprement dit. On le sait, dans les moteurs à combustion interne, il est particulièrement important de bien maîtriser, et donc de bien connaître, les conditions d'écoulement du mélange carburé juste avant que ne débute la combustion du mélange, soit de manière spontanée dans un moteur diesel, soit de manière commandée par une étincelle. En effet, de la nature de l'écoulement dépend la qualité du brassage du mélange carburé et donc la qualité de la propagation de la flamme aux premiers instants de la combustion. Ces paramètres sont particulièrement importants pour augmenter le rendement du moteur et pour diminuer l'émission de polluants. L'invention a donc pour objet de proposer un procédé permettant notamment d'estimer la vitesse de l'écoulement gazeux par visualisation qui soit d'un encombrement le plus faible possible et d'une mise en oeuvre la plus simple possible. Dans ce but, I'invention propose un procédé de visualisation d'un écoulement gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste à créer un canal de particules gazeuses ionisées en provoquant la formation d'un premier arc électrique qui se propage sensiblement selon un axe reliant les extrémités de deux électrodes qui s'étendent à l'intérieur de l'enceinte, puis à former au moins un deuxième arc électrique, avant que les particules ionisées n'aient retrouvé leur état stable initial, de manière à ce qu'elles forment un chemin préférentiel de propagation pour le deuxième arc, et en ce qu'il est prévu des moyens d'acquisition d'une série d'images des arcs électriques qui permettent de déterminer le déplacement des particules ionisées entre la formation de chacun des arcs. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le premier arc électrique d'ionisation des particules est suivi d'une série d'arcs décalés chacun d'un intervalle de temps inférieur au temps de retour à l'état stable initial des particules ionisées - il est prévu deux séries d'acquisition d'images correspondant à deux orientations différentes par rapport à l'enceinte de l'axe reliant les extrémités des électrodes - il est appliqué à l'étude de l'écoulement gazeux dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, et en ce que le moteur est entraîné en rotation par un dispositif annexe - les électrodes sont portées par un support qui est agencé à la place d'une bougie d'allumage ou de préchauffage de manière que les électrodes pénètrent à l'intérieur de la chambre de combustion - les moyens d'acquisition d'images sont disposés derrière un hublot qui est agencé à la place d'une bougie d'allumage ou de préchauffage - le hublot et les électrodes sont portés par le même support qui est agencé à la place d'une bougie d'allumage ou de préchauffage, et l'axe du champ de vision de moyens d'acquisition d'images s'étend entre les deux électrodes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour étudier l'écoulement gazeux à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur de la figure I - la figure 3 est une vue selon la direction F de la figure 1 illustrant l'agencement du dispositif de la figure 2 dans la chambre de combustion de la figure I - la figure 4 est une vue schématique illustrant l'ensemble du dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; ; et - les figures 5, 6 et 7 sont des représentations schématiques qui illustrent trois visualisations obtenues à l'aide du procédé selon l'invention et correspondant à trois types d'écoulements différents. On a représenté sur la figure 1 un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile comportant notamment une culasse 12 et un bloc moteur 14 entre lesquels est agencé un joint de culasse 16. Un cylindre 18 d'axe Al est agencé dans le bloc moteur 14 tandis qu'une chambre de combustion 20, formée dans la culasse 12, coiffe l'extrémité supérieure du cylindre 18. De manière connue, des conduits d'alimentation 22 et d'échappement 24 sont formés dans la culasse 12 et débouchent dans la chambre de combustion 20 au travers de soupapes 26, 28 à ouverture commandée. Dans l'exemple de réalisation qui est représenté sur la figure 1, le moteur à combustion interne 10 est un moteur du type à allumage commandé de sorte qu'il est prévu dans la culasse 12 un orifice fileté qui permet le montage d'une bougie d'allumage 30. Pour déterminer la circulation des gaz à l'intérieur de la chambre de combustion 20 du moteur en fonctionnement, I'utilisation du procédé selon l'invention, qui va être décrit plus bas, nécessite que le moteur soit entraîné en rotation non pas par ses propres moyens mais par un dispositif annexe. On peut par exemple entraîner l'arbre de sortie du moteur en rotation, ce qui provoque le mouvement alternatif des pistons dans les cylindres et les mouvements d'ouverture et de fermeture des soupapes 26, 28. On a représenté sur les figures 2 et 4 le dispositif 31 qui permet de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Le procédé selon l'invention nécessite d'implanter dans l'enceinte dans laquelle on souhaite déterminer les caractéristiques d'un écoulement, c'est-à-dire en l'occurrence dans la chambre de combustion 20, deux électrodes 32 dont les extrémités inférieures 34 sont agencées à l'intérieur de l'enceinte. Les électrodes 32 sont reliées à un générateur de haute tension pulsée 36 qui permet de provoquer le déclenchement entre les deux extrémités 34 des électrodes 32 d'un arc électrique ou étincelle. Le procédé comporte tout d'abord l'étape de provoquer la propagation d'une première étincelle El entre les deux électrodes 32. Cette première étincelle El est amenée à se former dans un milieu gazeux relativement homogène du point de vue de ses caractéristiques électriques si bien qu'elle se forme selon le chemin le plus court entre les deux extrémités 34 des électrodes 32, c'est-à-dire sensiblement selon un axe X-X reliant les extrémités 34 des électrodes 32. Du fait du passage de l'énergie électrique entre les électrodes 32, il se crée entre les deux extrémités 34 de celles-ci un canal dans lequel les particules gazeuses sont ionisées pour former un plasma. Ces particules sont donc alors dans un état physique instable. Si l'on observe les extrémités 34 des électrodes 32, le passage du premier arc électrique se traduit donc par une bande de lumière très intense sensiblement rectiligne selon l'axe X-X séparant les deux électrodes. Selon le procédé de l'invention, le générateur de haute tension 36 est alors commandé pour provoquer la propagation d'une seconde étincelle E2 entre les électrodes 32, avant que les particules ionisées du canal de plasma créé par la première étincelle El n'aient eu le temps de retourner à leur état stable. De la sorte, ces particules ionisées forment, pour la deuxième étincelle E2, un chemin préférentiel d'une électrode 32 à l'autre. Or, ces particules ionisées 32 sont soumises à un déplacement dû à l'écoulement gazeux à l'intérieur de l'enceinte. Dans l'intervalle de temps entre les deux étincelles, chacune de ces particules aura été donc déplacée d'une certaine distance, en fonction de la direction et de l'intensité de la vitesse locale de l'écoulement. De la sorte, la deuxième étincelle se propage non plus en ligne droite selon l'axe X-X joignant les deux électrodes 32, mais selon un canal dont la géométrie est commandée par l'écoulement gazeux. Cette deuxième étincelle se traduit elle-même par une bande lumineuse représentant alors la forme du canal des particules ionisées, après la déformation de celui-ci provoquée par l'écoulement. De la sorte, il suffit de prévoir une caméra 38 et un dispositif d'acquisition d'image 40 qui permettent de comparer la configuration du canal ionisé lors du passage de la première étincelle et lors du passage de la deuxième étincelle, pour en déduire le déplacement des particules dans l'intervalle de temps séparant le passage des deux étincelles. Le dispositif 31 qui est représenté plus particulièrement sur les figures 2 et 4 permet de mettre en oeuvre ce procédé de manière simple et efficace dans un moteur à combustion interne. A cet effet, les électrodes 32 sont portées par un support 42 destiné à être monté sur le moteur, à la place de la bougie d'allumage 30. Le support 32 comporte donc une extrémité inférieure filetée 44 qui est traversée axialement par les électrodes 32 dont les extrémités inférieures 34 dépassent au-delà de l'extrémité inférieure 44 du support 42, à l'intérieur de la chambre de combustion 20. Avantageusement, la caméra 38 et le dispositif d'acquisition d'image 40 sont agencés à l'extérieur du moteur et sont destinés à observer les étincelles créées entre les deux électrodes 32 au travers d'un hublot prévu dans le support 42 des électrodes 32. A cet effet, le support 42 comporte un évidement central 46 obturé à son extrémité inférieure par un hublot translucide 48, par exemple réalisé en quartz. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, le hublot 48 est agencé à l'intérieur de l'extrémité inférieure 44 du support 42 et il est traversé par les deux électrodes 32. Ainsi, en agençant la caméra 38 axialement au-dessus du hublot 48, elle sera susceptible de capter l'image d'une étincelle électrique créée à l'intérieur de la chambre de combustion 20 entre les deux électrodes 32. De préférence, la caméra 38 est reliée à un dispositif d'acquisition, de stockage, de traitement et d'analyse d'image 40 qui permet d'obtenir par exemple sur une même représentation l'image du passage de la première étincelle et celui du passage de la deuxième étincelle pour en déduire directement le déplacement relatif des particules ionisées entre les instants de passage de ces deux étincelles. On a représenté de manière schématique sur les figures 5 à 7 trois exemples de tels types de représentations dans lesquelles on a superposé les images du passage non pas de deux étincelles mais de quatre étincelles successives, chacune décalée dans le temps d'une durée inférieure au temps nécessaire aux particules pour revenir à leur état électrique stable. Ainsi, dans les trois cas, on observe le passage de la première étincelle El qui s'étend de manière sensiblement rectiligne selon l'axe X-X des électrodes 32. On a également représenté en traits mixtes les traces des étincelles successives E2, E3, E4. L'exemple représenté sur la figure 5 illustre le type de représentation que l'on est susceptible d'obtenir lorsque l'écoulement gazeux entre les deux électrodes est un écoulement uniforme sensiblement perpendiculaire à l'axe X-X reliant les électrodes 32, s'écoulant de la droite vers la gauche en considérant la figure 5. Dans l'exemple représenté à la figure 6, on a une représentation des étincelles El, E2, E3 et E4 lorsque l'écoulement gazeux se fait de manière uniforme selon une direction oblique par rapport à l'axe X-X reliant les électrodes. Dans la figure 7, on a illustré une représentation susceptible d'être obtenue lorsque l'écoulement gazeux dans la zone étudiée est perturbé. Dans cet exemple, on peut voir que, au niveau d'une électrode 32, représentée en position inférieure sur la figure 7, I'écoulement est sensiblement uniforme et perpendiculaire à l'axe X-X reliant les deux électrodes 32. Au contraire, I'écoulement au niveau de l'électrode 32 représentée en haut sur la figure 7 a subi un renversement de son champ de vitesses entre le passage de la deuxième étincelle E2 et de la troisième étincelle E3. Comme on peut le voir sur ces figures 5 à 7, le procédé selon l'invention permet d'obtenir de manière quasi immédiate des informations qualitatives quant à l'écoulement gazeux entre les deux électrodes 32. Les informations quantitatives quant aux vitesses d'écoulement sont également accessibles en procédant à une estimation du déplacement, en différents points, du canal ionisé entre chacune des étincelles. Bien entendu, ce procédé donne les meilleurs résultats lorsque l'écoulement est sensiblement perpendiculaire à l'axe X-X reliant les deux électrodes 32. Aussi, pour avoir un résultat plus complet et plus précis, il est préférable, pour un même écoulement, de procéder à deux séries d'acquisitions d'images en changeant l'orientation de l'axe X-X reliant les électrodes 32 par rapport à la géométrie de la chambre de combustion 20. Ainsi, on effectuera de préférence deux séries de mesure en pivotant l'axe X-X de 90". Le procédé selon l'invention possède l'avantage de pouvoir être adapté à n'importe quel moteur à combustion à allumage commandé sans modifications notables de celui-ci. Le principe du procédé selon l'invention pourra même être appliqué dans le cas des moteurs à allumage spontané, dits diesel, en agençant par exemple le support 42 à la place d'une bougie de préchauffage. REVENDICATIONS 1. Procédé de visualisation d'un écoulement gazeux à l'intérieur d'une enceinte (20), caractérisé en ce qu'il consiste à créer un canal de particules gazeuses ionisées en provoquant la formation d'un premier arc électrique (El) qui se propage sensiblement selon un axe (X-X) reliant les extrémités (34) de deux électrodes (32) qui s'étendent à l'intérieur de l'enceinte (20), puis à former au moins un deuxième arc électrique (E2), avant que les particules ionisées n'aient retrouvé leur état stable initial, de manière à ce qu'elles forment un chemin préférentiel de propagation pour le deuxième arc (E2), et en ce qu'il est prévu des moyens d'acquisition (38, 40) d'une série d'images des arcs électriques qui permettent de déterminer le déplacement des particules ionisées entre la formation de chacun des arcs. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier arc électrique (El) d'ionisation des particules est suivi d'une série d'arcs (E2, E3, E4) décalés chacun d'un intervalle de temps inférieur au temps de retour à l'état stable initial des particules ionisées. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est prévu deux séries d'acquisition d'images correspondant à deux orientations différentes par rapport à l'enceinte (20) de l'axe (X-X) reliant les extrémités (34) des électrodes (32). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué à l'étude de l'écoulement gazeux dans une chambre de combustion (20) d'un moteur à combustion interne (10) de véhicule automobile, et en ce que le moteur (10) est entraîné en rotation par un dispositif annexe. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes (32) sont portées par un support (42) qui est agencé à la place d'une bougie d'allumage (30) ou de préchauffage de manière que les électrodes (32) pénètrent à l'intérieur de la chambre de combustion (20). 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition d'images (38, 40) sont disposés derrière un hublot (48) qui est agencé à la place d'une bougie d'allumage (30) ou de préchauffage. 7. Procédé selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce que le hublot (48) et les électrodes (32) sont portés par le même support (42) qui est agencé à la place d'une bougie d'allumage (30) ou de préchauffage, et en ce que l'axe du champ de vision de moyens d'acquisition d'images s'étend entre les deux électrodes (32).