Brevet FR2928732A3 — publié le 20090918

FR 2928732 A3 20090918 FR 0851634 A 20080313 DISPOSITIF DE MESURE DE CARACTERISTIQUES DE FONCTIONNEMENT D'UN INJECTEUR La présente invention concerne, de façon générale, le domaine de la mesure de caractéristiques de fonctionnement d'injecteurs et en particulier d'injecteurs de carburant pour moteur thermique. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de mesure de caractéristiques de fonctionnement d'un injecteur, comportant un support d'injecteur apte à recevoir un injecteur dont on veut mesurer les caractéristiques de fonctionnement, une cible apte à être positionnée dans le jet de l'injecteur à mesurer, un moyen de mesure d'effort lié à la cible et io apte à évaluer la contrainte mécanique exercée par le jet sur la cible. Un injecteur de carburant est généralement utilisé pour injecter du carburant dans une chambre de combustion, en transformant une pression d'alimentation amont en une vitesse de jet(s) de carburant qui contribue à homogénéiser le mélange combustible et comburant en vue de sa 15 combustion. Il est donc important pour les motoristes et fabricants d'injecteurs d'évaluer la capacité d'un injecteur à transformer, en aval de celui-ci, le carburant en jets de gouttes. En particulier, l'homogénéité d'un jet dans l'espace ainsi que des grandeurs telles que la distance à partir de laquelle 20 les ligaments de carburant sortant d'un trou de l'injecteur se transforment en gouttes, appelée longueur de break-up doivent être caractérisées. Pour remonter à ces valeurs, il est nécessaire de mesurer la force locale en plusieurs points situés à l'intérieur d'un jet. Des dispositifs de l'art antérieur permettent de mesurer la force d'un 25 jet, en plaçant un capteur de pression notamment de type piézoélectrique dans le jet à analyser, afin que l'impact du jet sur le capteur renseigne sur la force exercée par le carburant. Cependant, ces dispositifs ne donnent pas entière satisfaction et présentent des inconvénients. En effet, le caractère intrusif important de cette mesure, conduit à limiter le caractère local de la mesure. Cet effet s'accentue lorsque l'on réalise des mesures au plus proche de la sortie des trous de l'injecteur afin de limiter les erreurs qui peuvent être engendrées par les différences de quantité de mouvement entre les gouttes de taille et de masse différentes, au centre et sur les bords du jet. En outre, l'utilisation d'un capteur piézoélectrique placé dans le jet io limite la température maximale, de l'ordre de 150°C à laquelle le jet peut être caractérisé, à une valeur très inférieure à la valeur régnant dans une chambre de combustion, ce qui ne permet pas de caractériser le jet dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. Ce type de capteur peut également être endommagé par l'impact du jet lorsque les pressions 15 d'injections sont élevées. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure de caractéristiques de fonctionnement d'un injecteur amélioré, et plus particulièrement apte à mesurer localement la force d'un jet à des températures aussi proche que possible de celle régnant dans 20 une chambre de combustion tout en étant apte à réduire le risque que le moyen de mesure ne soit détérioré prématurément. A cette fin, le dispositif de mesure de caractéristiques d'un injecteur selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement remarquable 25 en ce que la cible comprend une aiguille formée d'un corps allongé reliée vers une de ses extrémités au moyen de mesure d'effort et portant une tête d'impact vers l'autre extrémité. Cette aiguille permet de recueillir la force exercée sur la tête d'impact tout en maintenant le capteur d'effort en dehors du jet de 30 carburant à caractériser. En outre, la tête d'impact de l'aiguille étant généralement de taille inférieure à un capteur d'effort, le dispositif de mesure permet de réaliser des mesures locales de la force du jet de carburant. Grâce à la disposition du capteur dans un lieu déporté d'un lieu pouvant être impacté par le jet, les mesures de la force locale du jet peuvent être réalisées tout en préservant les moyens de mesure qui peuvent être placés à l'écart du jet de fluide. En conséquence, le capteur n'étant plus immergé dans le jet, des moyens de mesure ou des capteurs plus sensibles et souvent plus fragiles io peuvent être utilisés, ce qui permet d'améliorer la précision de la mesure. Il est possible d'évaluer la force locale du jet au plus proche du trou d'expulsion, limitant le besoin de correction de la mesure pour tenir compte du décalage temporel entre le moment de l'injection et le moment de la mesure de l'effort. 15 Il est à noter que la contrainte mécanique mesurée peut avantageusement être corrélée avec une mesure de la pression d'alimentation de l'injecteur pour étudier la réponse de l'injecteur en fonction de variation de pressions. Selon d'autres caractéristiques, le dispositif de mesure de caractéristiques 20 d'un injecteur comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - au moins l'un parmi le support d'injecteur ou le moyen de mesure d'effort sont mobiles en rotation et/ou en translation de sorte que la cible soit impactée par le jet selon une trajectoire normale à la surface de sa tête d'impact, de manière à permettre des relevés de 25 type tomographiques du jet ; - le moyen de mesure d'effort comprend un élément formant bras de levier comprenant au moins un point de fixation d'aiguille situé vers une première extrémité adaptée pour la fixation de l'aiguille sur l'élément formant levier et un capteur d'effort apte à mesurer la 3 contrainte vers une deuxième extrémité, pour permettre une amplification mécanique de la mesure ; - l'élément formant bras de levier est fixé à un socle par un point de fixation situé vers la deuxième extrémité, le capteur d'effort étant placé entre ce point de fixation et le point de fixation d'aiguille sur lequel est fixé l'aiguille ; - le capteur d'effort est un capteur de déformation, de préférence une jauge de contrainte, fixé sur l'élément formant bras de levier apte à mesurer la déformation en flexion du bras de levier sous la io contrainte exercée par le jet sur la tête d'impact ; - le capteur d'effort est un capteur de déformation, noyé dans l'élément formant bras de levier, permettant d'isoler le capteur du carburant injecté ; - l'aiguille est fixée de façon amovible sur l'élément formant levier au 15 niveau de son point de fixation de manière à adapter la longueur de levier en fonction de la sensibilité de la mesure ; - la tête d'impact de l'aiguille et/ou l'aiguille est amovible et interchangeable en fonction du caractère local de la mesure désiré ; - un déflecteur apte à dévier le jet du corps de l'aiguille et/ou du 20 moyen de mesure d'effort est interposé autour de l'aiguille, et de préférence juste au dessus du bras de levier ; permettant de limiter sinon éliminer des erreurs de mesures. L'invention a également pour objet une enceinte de mesure de 25 caractéristiques de fonctionnement d'un injecteur comportant des moyens de mise sous pression et/ou de chauffage dans laquelle est placé un dispositif selon l'une des revendications précédentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 30 clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé représentant une vue de côté du dispositif de mesure de caractéristiques de fonctionnement d'un injecteur selon l'invention. Sur la figure unique est représenté un dispositif 1 de mesure de caractéristiques de fonctionnement d'un injecteur placé dans une enceinte 6 dans laquelle il est possible de faire varier les conditions d'environnement telles que la température et la pression par des moyens de chauffage et de pressurisation non représentés. Cette enceinte 6 permet de réaliser des mesures du jet de carburant dans des conditions proches de celles qui règnent dans une chambre de io combustion en fonctionnement. Généralement, les injecteurs dont on souhaite caractériser les jets de carburant expulsent le carburant hors d'une multitude de trous situés sur la périphérie d'un corps d'injecteur d'axe I selon un lobe d'émission sensiblement centré autour d'un axe de jet J. Il en résulte que les jets de 15 carburant s'étendent selon des directions différentes autour du corps d'injecteur, si bien que les injecteurs sont généralement fixés avec indexation dans la culasse. Le dispositif 1 comprend un support d'injecteur 2 apte à recevoir et à maintenir le corps d'un injecteur à tester, vers le bas sur la figure 1, ainsi 20 qu'une cible 3 apte à être positionnée dans le jet de l'injecteur d'axe J. Un moyen de mesure d'effort 4 est lié à la cible de manière à évaluer la contrainte mécanique F exercée par le jet sur la cible 3. Plus particulièrement, la cible 3 comprend une aiguille 30 formée d'un corps allongé 31 s'étendant selon un axe dit de cible C présentant 25 vers l'une de ses extrémités une tête d'impact 32 adaptée pour être disposée dans le jet de carburant. Le corps allongé 31 sera dimensionné de sorte qu'il n'absorbe pas ou peu d'énergie provenant de la contrainte reçu par la tête d'impact 32. Plus particulièrement, la longueur du corps allongé 31 sera comprise 30 entre 50 à 100 mm. Le corps allongé sera réalisé dans un acier traité 5 présentant une rigidité et une dureté adaptée à sa section et dépendant du diamètre de la tête d'impact 32. Cette aiguille 30 est montée par l'extrémité du corps allongé 31 opposée à la tête d'impact 32 sur un moyen de mesure d'effort 4 au niveau d'un point de fixation PFA. Ce moyen de mesure d'effort 4 est apte à évaluer la contrainte mécanique F exercée par le jet sur la cible et plus particulièrement sur la tête d'impact. Le moyen de mesure d'effort 4 comprend un élément formant bras de levier 41 pour amplifier mécaniquement la contrainte F exercée sur io la tête d'impact 32 de l'aiguille 30 vers une première extrémité du bras de levier 41 et un capteur d'effort 42, pour en relever la valeur, situé vers la deuxième extrémité du bras de levier 41. On peut prévoir plusieurs points de fixations d'aiguille PFA situés le long du bras de levier 41 vers une première extrémité apte à être située 15 sous le jet de carburant et le capteur d'effort 42. Ainsi, en plaçant l'aiguille 30 dans ces points de fixation PFA, la sensibilité de la mesure peut être adaptée, de manière à faire fonctionner le capteur d'effort 42 dans sa plage de mesure optimale. Le bras de levier 41 pourra être monté sur un socle 5 par un point de 20 fixation de levier PFL situé vers la deuxième extrémité du bras de levier 41. Le capteur d'effort 42 pourra être alors placé entre ce point de fixation de levier PFL et le point de fixation d'aiguille PFA sur lequel est fixé l'aiguille 30. Le capteur d'effort 42 peut être un capteur de déformation fixé sur 25 l'élément formant bras de levier 41 de sorte qu'il puisse en mesurer la déformation en flexion sous la contrainte F exercée par le jet sur la tête d'impact 32. Le capteur d'effort 42 pourra être une jauge de contrainte. Pour protéger cette jauge des impacts du jet de carburant, on peut la faire adhérer à la face opposée à celle qui est exposée aux jets, c'est-à-dire 30 selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, sur la face inférieure. De même, on pourra utiliser un capteur d'effort 42 en flexion, noyé dans le bras de levier 41 de manière à ne pas l'exposer au carburant. Le capteur d'effort 42 est préférentiellement un capteur de déformation dynamique en couches minces adapté pour fonctionner à haute températures pouvant aller jusqu'à 1200°C. Ce capteur peut être réalisé par pulvérisation cathodique (méthode PVD pour Dépôt Physique par Vapeur). L'élément réceptif de ce capteur est préférentiellement en palladium-chrome (Pd-Cr). Préférentiellement un tel capteur comporte six couches déposées successivement qui sont : io - une couche de revêtement d'accrochage en NiCoCrAIY ; - une couche isolante électrique en alumine (AI2O3) ; - une couche de jauge de déformation en Pd-Cr ; - une couche piste conductrice en Pd-Cr ou en Pd-Cr+ Platine ; - une protection contre l'oxydation en alumine-zircone (AI2O3-ZrO2) ; 15 - une couche dotée de plages de connexion en platine pour le soudage de fils de mesure. Le capteur d'effort 42 est préférentiellement relié à une unité de mesure électronique via des câbles électriques ou via un système d'émetteur récepteur sans fil pour éviter de gérer l'étanchéité d'ouvertures 20 dans l'enceinte. Comme exposé ci-dessus, l'utilisation d'une aiguille 30 démontable de l'élément formant bras de levier 41 permet d'adapter la longueur du bras de levier 41 pour adapter la sensibilité de la mesure. Un autre avantage d'utilisation d'une telle aiguille 30 démontable est de permettre une 25 adaptation de la tête d'impact 32 et notamment sa surface à la mesure que l'on désire réaliser, notamment son caractère local ou ponctuel. De même, on pourra prévoir une aiguille dont la tête d'impact est démontable du corps allongé. Un déflecteur, non représenté, peut être utilisé pour éviter que le jet 30 n'impacte directement le bras de levier et ainsi s'assurer que la seule 7 contrainte mesurée est celle de la portion de jet incidente sur la tête d'impact. Ce déflecteur peut être placé juste au dessous de la tête d'impact 32, de manière à éviter que le jet de carburant n'impacte le corps allongé 31 de l'aiguille 30, ou bien juste au dessus du bras de levier. Le dispositif 1 est en outre alimenté par une conduite d'alimentation de l'injecteur reliée d'une part à l'injecteur et d'autre part à une alimentation en fluide haute pression, par exemple une pompe haute pression, de préférence découplée du dispositif 1 afin de ne pas perturber les mesures. Pour une mesure précise et efficace, il est préférable que le jet soit io dirigé sur la tête d'impact 32 selon un axe J faisant un angle inférieur à 15° avec l'axe de cible C et de préférence que les axes de jet J et de cible C soient parallèles. Les injecteurs à tester pouvant avoir des caractéristiques géométriques d'émission différentes, volume de jet, angle de jet J, des is moyens de positionnement 7 de l'injecteur relativement à la cible 3 peuvent être prévus. Ces moyens de positionnement 7 peuvent comprendre des moyens de rotation du corps de l'injecteur autour de son axe I permettent de choisir le jet et/ou la portion du jet qui doit impacter la tête d'impact 32. 20 De plus, ces moyens de positionnement 7 peuvent comprendre des moyens d'inclinaison de l'axe I du corps d'injecteur par rapport à l'axe de cible C, de manière à ce que le jet de carburant selon l'axe J fasse un angle inférieur à 15° avec l'axe de cible C et de préférence que les axes de jet J et de cible C soient parallèles. 25 Les moyens de positionnement 7 peuvent comprendre des moyens de translation du corps d'injecteur relativement à la position de la cible 3, notamment afin de permettre de réaliser un relevé du type tomographique du jet. Ces moyens de translation peuvent comprendre des moyens de variation de la hauteur du corps d'injecteur 21 relativement à la cible 3, ou autrement dit de la distance selon un plan comprenant l'axe de jet J. On peut ainsi réaliser des mesures de la force locale du jet à l'intérieur de plusieurs plans de coupe dans le jet de carburant. Ces moyens de translation peuvent comprendre des moyens de variation de la position dans un plan de coupe normal à l'axe de jet J, de manière à ce que différentes portions du jet dans un même plan de coupe puissent être caractérisées. io En combinant les différents relevés point à point de la force locale réalisés dans le jet, on peut reconstruire, notamment grâce à des moyens informatiques de calcul et d'affichage, une vue tomographique de la force locale d'impact du jet de carburant. Alternativement, ou de manière additionnelle, on pourra faire en 15 sorte que les moyens de mesure d'effort 4 et par conséquent la cible 3 puissent être orientés par rapport à l'injecteur par des moyens de positionnement similaires. Les relevés de la force locale peuvent être corrélés avec une valeur de pression de fluide au moment de la mesure de l'effort pour établir des 20 lois de réponse de l'injecteur aux pressions de fluide qu'il reçoit. 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de mesure de caractéristiques (F) de fonctionnement d'un injecteur, comportant un support d'injecteur (2) apte à recevoir un injecteur dont on veut mesurer les caractéristiques de fonctionnement, une cible (3) apte à être positionnée dans le jet de l'injecteur à mesurer, un moyen de mesure d'effort (4) lié à la cible (3) et apte à évaluer la contrainte mécanique (F) exercée par le jet sur la cible (3) caractérisé en ce que la cible (3) comprend une aiguille (30) formée d'un corps allongé (31) relié vers une de ses extrémités au moyen de mesure d'effort (4) et portant une io tête d'impact (32) vers l'autre extrémité. 2. Dispositif (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que au moins l'un parmi le support d'injecteur ou le moyen de mesure d'effort sont mobiles en rotation et/ou en translation de sorte que la cible soit impactée par le jet selon une trajectoire normale à la surface de sa tête 15 d'impact. 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de mesure d'effort comprend un élément formant bras de levier comprenant au moins un point de fixation d'aiguille (PFA) situé vers une première extrémité adaptée pour la fixation de l'aiguille sur l'élément 20 formant levier et un capteur d'effort apte à mesurer la contrainte (F) vers une deuxième extrémité. 4. Dispositif (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'élément formant bras de levier est fixé à un socle (5) par un point de fixation (PFL) situé vers la deuxième extrémité et en ce que le capteur 25 d'effort est placé entre ce point de fixation (PFL) et le point de fixation d'aiguille (PFA) sur lequel est fixé l'aiguille. 5. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 4 caractérisé en ce que le capteur d'effort est un capteur de déformation, depréférence une jauge de contrainte, fixé sur l'élément formant bras de levier apte à mesurer la déformation en flexion du bras de levier sous la contrainte (F) exercée par le jet sur la tête d'impact. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 3 à 4 caractérisé en ce que le capteur d'effort est un capteur de déformation, noyés dan l'élément formant bras de levier. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que l'aiguille est fixée de façon amovible sur l'élément formant levier au niveau de son point de fixation de manière à adapter la longueur de levier en fonction de la sensibilité de la mesure. 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 3 à 7 caractérisé en ce que la tête d'impact de l'aiguille et/ou l'aiguille est amovible et interchangeable en fonction du caractère local de la mesure désiré. 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que un déflecteur apte à dévier le jet du corps de l'aiguille et/ou du moyen de mesure d'effort est interposé autour de l'aiguille, et de préférence juste au dessus du bras de levier. 10. Enceinte de mesure de caractéristiques (F) de fonctionnement d'un injecteur comportant des moyens de mise sous pression et/ou de chauffage caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes. 11