Brevet FR2794528A1 — publié le 20001208

PROCEDE ET DISPOSITF POUR DETERMINER LA CONCENTRATION SPATIALE DES DIFFERENTS COMPOSANTS D'UN MELANGE, NOTAMMENT D'UN MELANGE GAZEUX, DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR L'invention concerne un procédé pour déterminer la concentration spatiale des différents composants d'un mélange, notamment d'un mélange gazeux, dans la chambre de combustion d'un moteur. Elle concerne également le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un procédé de ce genre est connu pour les moteurs à combustion interne. A cet effet, la chambre de combustion, par exemple un cylindre, est pourvue de plusieurs admissions, la concentration spatiale des différents composants contenus dans le mélange carburé, y compris d'éventuels gaz résiduels, étant détectée au moyen de dispositifs optiques, par exemple des miroirs. II est nécessaire de connaître la concentration spatiale des différents composants d'un tel mélange, par exemple d'un mélange de carburant, d'oxygène, d'azote et de gaz résiduel, afin de pouvoir optimiser la combustion dans la chambre de combustion Le grand nombre d'admissions requises par les techniques connues, deux admissions au moins sont nécessaires pour l'enregistrement spatial de la concentration du mélange gazeux, exige une construction très complexe afin de pouvoir effectuer une telle détermination. Des moteurs dits "de verre" sont également connus, et ces moteurs permettent aussi la détermination optique de la concentration de différents gaz d'un mélange gazeux dans la chambre de combustion. L'inconvénient de tous ces procédés ou dispositifs connus, ne réside pas seulement dans la complexité de la construction mais aussi, et ceci est beaucoup plus important, dans le fait que les conditions d'écoulement et de combustion réelle sont faussées, étant donné que la création de l'admission optique est souvent liée à de grands changements dans la géométrie de la chambre de combustion. Or, des changements dans la géométrie de la chambre de combustion influencent toujours les procédés de combustion. La chambre de combustion doit donc être modifiée le moins possible par la création de l'admission optique. D'autre part, des mesures le plus détaillées possible des niveaux de concentration de gaz, par exemple des mesures séparées localement, doivent être rendues possibles. L'utilisation d'une seule ouverture permettrait donc d'effectuer des mesures optiques sur des moteurs de série à peine modifiés enlevant le capteur de pression ou la bougie et en les remplaçant par une admission optique. L'objet de la présente invention est donc de proposer un procédé et un dispositif à l'aide desquels les dépenses nécessaires à la détermination de la concentration spatiale des différents composants d'un mélange gazeux dans une chambre, notamment dans une chambre de combustion, qui, tout en pouvant être réduites à un minimum, permettent toutefois d'obtenir des résultats précis, Cet objectif est atteint selon l'invention par les caractéristiques de la revendication 1. A cet effet, un faisceau laser est dirigé par une unique ouverture aménagée dans la chambre de combustion, ce faisceau laser faisant briller les particules du mélange situées sur une ligne, la lumière renvoyée par les particules passant par la même ouverture au travers d'un objectif diaphragmé à cet effet et étant représentée sur une surface photosensible (une caméra CCD intensifiée par exemple). Les particules sont excitées par le faisceau laser de manière à émettre des photons. Les photons font briller la surface photosensible. La concentration de ces particules le long de la ligne définie par le laser peut être déduite localement en détail par un photodétecteur plan (caméra CCD intensifiée par exemple) à partir de l'intensité lumineuse des particules et de la taille de la surface lumineuse sur la surface photosensible Le point important de l'invention est que les émissions induites par le laser sur une ligne sont enregistrées en retour sous forme de photons, de sorte qu'une seule admission optique est nécessaire pour pouvoir déterminer le tracé de concentration locale. II est connu que, en choisissant ou en enregistrant certains paramètres optiques (par exemple, la longueur d'ondes et la polarisation du laser excitant, les longueurs d'ondes de la lumière émise par les particules, l'analyse de la polarisation ou la durée de la lumière réfléchie), il est possible d'identifier les différents composants d'un mélange de particules et de déterminer séparément la concentration de différents composants par des mesures adéquates (le filtrage par exemple). Des substances lumineuses, telles que par exemple des traceurs, ou des colorants, peuvent être ajoutées aux composants du mélange gazeux (air, carburant ou gaz d'échappement) afin de déterminer la concentration des composants correspondants au moyen de la luminosité des additifs. Le procédé part du principe qu'un laser émet une lumière à une longueur d'ondes spécifique, cette lumière faisant briller les particules du mélange gazeux. La longueur d'onde de la lumière émise par les particules excitées par le laser dépend du genre de particule, suivant qu'il s'agit de molécules d'oxygène, de carburant ou d'azote ou bien de molécules des traceurs ajoutés aux substances. Pour déterminer la concentration des différentes particules ou molécules à différents endroits dans la chambre de combustion, on part du raisonnement, valable pour une optique de reproduction, que les particules ou les objets en général illuminent une surface sur le plan focal qui augmente avec l'éloignement des particules ou des objets du plan objet. Si z est la distance séparant le plan focal du plan objet (z=0 pour le plan objet), les points lumineux reproduisent sur le plan focal des surfaces circulaires qui augmentent en taille avec leur éloignement du plan d'objet. Des points lumineux se trouvant sur la ligne définie par le laser à différentes distances z du plan objet produisent donc sur le plan focal des surfaces en forme d'anneaux circulaires de différentes tailles. Le fait de limiter le faisceau lumineux renvoyé par les particules est particulièrement important. En diaphragmant de façon centrale le faisceau de rayons émanant d'un point, la surface reproduite sur le plan focal n'est plus circulaire mais a la forme d'un anneau circulaire d'un rayon R et d'une épaisseur OR. L'épaisseur de l'anneau circulaire diminue à mesure que le faisceau est limité dans son diamètre. Dans cette configuration, la lumière réfléchie occasionnée par le laser à un endroit [zi, z2] est reproduite sur le plan focal dans une région radiale [Ri, R2]. Le nombre des photons émis à cet endroit [z,, z2] peut être déduit de l'intégration de l'intensité du rayonnement enregistré dans la région radiale [Ri, R2]. La concentration des particules peut être déduite du nombre de photons émis au moyen de procédés connus tels que la diffusion Raman. En illuminant au laser une ligne dans la chambre de combustion, on obtient sur le plan focal un système d'anneaux circulaires concentriques, la lumière enregistrée à différentes distances radiales pouvant être assignée à différentes sources sur la ligne du laser. II est donc possible de déterminer de façon simple la concentration locale des différents composants d'un mélange gazeux dans une chambre de combustion, étant donné qu'il est possible de déterminer la distance séparant la concentration de particules du plan objet et donc de la paroi du cylindre. Il est plus particulièrement prévu de placer un miroir, éventuellement semi- argenté, dans le faisceau des rayons du laser. Grâce à ce miroir, le faisceau laser peut être introduit dans le cylindre par la même ouverture que celle par laquelle la lumière renvoyée par les particules peut en sortir. L'essentiel du procédé selon l'invention est qu'une admission vers la chambre de combustion suffit pour envoyer le laser, par cet orifice, dans la chambre de combustion et pour recevoir la lumière émise par les particules. Le dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus est caractérisé en ce qu'il comporte un miroir semi-argenté disposé dans le faisceau des rayons du laser, un objectif placé dans le faisceau des rayons de la lumière renvoyée vers l'écran et un photodétecteur de résolution locale, ces éléments étant agencés pour amener le faisceau d'un laser dans la chambre de combustion par un seul orifice. De façon avantageuse, afin d'obtenir une plus grande sélectivité, l'objectif comporte, en son centre, une zone partiellement recouverte de manière opaque. L'invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation préféré décrit à titre d'exemple non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente de façon schématique le dispositif permettant de déterminer la concentration spatiale de différentes particules dans un mélange, la figure 2 est une vue du dispositif de la figure 1 selon la ligne II-II, et la figure 3 illustre de façon schématique la marche des rayons de deux régions lumineuses situées derrière le plan objet et reproduites sur le plan focal. En référence à la figure 1, le laser 1 émet un faisceau laser 1 a qui est dirigé par un miroir semi-argenté 3 à travers une fenêtre 4a vers une chambre de combustion 4. Cette chambre de combustion 4 contient un mélange gazeux dans lequel le composant à détecter est représenté, à titre d'exemple, avec sa courbe de concentration (tracée au-dessus de la chambre de combustion représentée sous forme schématique) et est amené à briller sur la ligne définie par le laser. Les deux niveaux de concentration I et II d'un gaz sont présents à deux endroits spécifiques. Le composant à détecter peut être de l'oxygène, de l'azote ou du carburant ou des molécules de traceurs contenus dans le mélange gazeux. Le faisceau laser 1 a tombe sur les particules concernées dans la région des niveaux de concentration I et Il et les fait briller, l'intensité de la lumière réfléchie étant proportionnelle à la concentration. La lumière induite par le laser est renvoyée à travers la fenêtre 4a, traverse le miroir semi-argenté et est transmise par un objectif 2 sur le plan focal, désigné par la référence 5, sous forme d'une surface lumineuse en forme d'anneau circulaire. L'objectif 2 est recouvert en son centre d'une feuille opaque 2a. L'objectif 2 focalise la lumière provenant du plan objet 10 sur le plan focal 5 sur lequel l'intensité de la lumière rétrodiffusée est enregistrée par un photodétecteur plan. L'objectif ne reproduit sur un écran disposé au plan focal 5 que le plan objet 10. Si le point lumineux, c'est-à-dire la particule lumineuse, ne se trouve pas située dans le plan objet 10 mais est située â une distance z derrière le plan 10, la reproduction du point lumineux dans le plan focal 5 est floue et constitue un disque dans lequel l'intensité est distribuée de manière plus ou moins homogène. Si le centre de l'objectif est obturé (de manière avantageuse de façon symétrique sur le plan de Fourier), seule la lumière du point lumineux traversant le passage annulaire restant dans l'objectif 2 atteint l'écran disposé dans le plan focal. Dans ce cas, l'image donnée par l'objectif diaphragmé en son centre ne représente pas un disque, mais un anneau circulaire. Plus le passage annulaire choisi est étroit, plus la largeur de l'anneau circulaire est petite. Etant donné que le rayon, voire le diamètre, de l'anneau circulaire, augmente de façon linéaire quand le point lumineux s'éloigne du plan focal, il est possible de déduire du rayon de l'anneau circulaire la distance zo séparant la particule du plan objet. Par conséquent, comme on peut le voir sur la figure 2, il en résulte deux anneaux circulaires I et II. Par l'intégration de l'intensité lumineuse enregistrée par la surface des deux anneaux, on peut en déduire le niveau de concentration des particules concernées, par exemple de l'oxygène et de l'azote, aux endroits I et II, ainsi que la distance spatiale séparant les niveaux de concentration I et II du plan objet 10 à partir du diamètre. Dans le schéma représenté par la figure 3, le laser est amené sur l'axe optique R, de l'image par un miroir et ne fait briller que les particules situées sur la ligne définie par le laser. L'objectif est diaphragmé de telle façon que la lumière ne peut passer que dans la région Ar. La lumière réfléchie par les particules dans la région AZ n'est reproduite que dans la région or sur le plan focal. La figure 3 illustre également en détail deux régions lumineuses AZ, et oZ2 qui correspondent aux zones AR, et oR2 du plan focal. Plus la distance [Z, Z2] séparant la région lumineuse AZ du plan objet est petite, plus la région de reproduction AR,, oR2 est éloignée de l'axe optique [R,, R2]. Le rapport entre la taille de l'image sur le plan focal et la région lumineuse est tel que OT ;k; OZ, Z étant la distance séparant la région T Z lumineuse du plan objet. La présente invention n'est pas limitée à la forme de mise en oeuvre du procédé et du dispositif tels que décrits, mais peut subir différentes modifications ou variantes évidentes pour l'homme du métier. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la concentration spatiale des différents composants d'un mélange, plus particulièrement d'un mélange gazeux, dans la chambre de combustion d'un moteur, caractérisé en ce qu'un - faisceau laser est dirigé, à travers un orifice, dans la chambre de combustion, certaines particules du mélange situées sur une ligne étant amenées à briller par le faisceau laser, la lumière renvoyée par ces particules pouvant être reproduite sous forme de surface lumineuse par un objectif diaphragmé, la distribution de l'intensité étant enregistrée en détail localement et la distribution radiale de l'intensité permettant de détecter localement de façon détaillée la concentration des différents composants le long de la ligne du laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un miroir semi- argenté est disposé dans la marche des rayons du laser. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objectif est partiellement recouvert en son centre de manière opaque dans le but de reproduire des anneaux sélectifs. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la surface lumineuse est reproduite sur un écran. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distribution de l'intensité sur l'écran est enregistrée localement en détail par un photodétecteur plan. 6. Dispositif pour la mise en ceuvre du procédé selon les caractéristiques d'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir semi-argenté (3) disposé dans le faisceau des rayons du laser (1), un objectif (2) placé dans le faisceau de rayons de la lumière renvoyée vers l'écran et un photodétecteur de résolution locale, ces éléments étant agencés pour amener le faisceau d'un laser dans la chambre de combustion (4) par un seul orifice (4a). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'objectif (2) - comporte, en son centre, une zone (2a) partiellement recouverte de manière opaque.