Brevet FR2939189A1 — publié le 20100604

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA DISTANCE ENTRE UNE FLAMME ET UNE PAROI D'UNE CHAMBRE DE COMBUSTION La présente invention a pour objet un procédé de détermination de la distance entre une flamme et une paroi d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Dans le développement des moteurs à combustion interne, les normes en matière de consommation et de pollution imposent de mieux maîtriser les différents phénomènes se produisant lors de la combustion. Dans les moteurs classiques, les pertes thermiques représentent environ un tiers de l'énergie globale dégagée pendant la combustion. L'optimisation des moteurs dépend alors en grande partie de la maîtrise des phénomènes liés à l'interaction entre la flamme de combustion et la paroi de la chambre de combustion. Ceci implique le développement d'outils de diagnostic adaptés à l'analyse des différents aspects de l'interaction flamme-paroi, et notamment dans les conditions réelles de fonctionnement du moteur. Un paramètre essentiel pour déterminer les pertes thermiques dans la chambre de combustion est la distance, appelée distance de coincement, entre la flamme et la paroi de la chambre. En effet, plus la distance de coincement est faible, et plus l'échange thermique entre la flamme et la paroi est important, et donc plus les pertes thermiques sont importantes. Pour mesurer la distance de coincement, il est connu d'utiliser des procédés optiques. Ces procédés nécessitent un ou plusieurs accès optiques à la zone de combustion, ce qui rend ce type de mesure très difficilement utilisable dans les conditions réelles de fonctionnement du moteur. On connaît également des procédés de mesure indirects, notamment par des mesures de température de la paroi de la chambre de combustion. Ces procédés sont toutefois difficiles à réaliser et sont en outre assez onéreux. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle propose un procédé de mesure de la distance de coincement qui permet de déterminer cette distance de manière simple et en temps réel. L'invention a ainsi pour objet un procédé de détermination de la 10 distance entre une flamme et une paroi d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes : - une étape de polarisation négative d'une électrode de mesure munie d'une surface de mesure alignée avec la paroi, de manière à ce 15 que l'électrode de mesure attire les ions positifs de la flamme, et à ce qu'un courant d'ionisation apparaisse ainsi dans l'électrode de mesure, la polarisation étant mise en oeuvre par application d'une pluralité de tensions de polarisation, dans un intervalle de tension suffisamment large pour que la caractéristique du courant d'ionisation en fonction de 20 la tension appliquée présente une zone sensiblement courbe et une zone sensiblement rectiligne, la zone sensiblement courbe et la zone sensiblement rectiligne se rejoignant au niveau d'un point limite, - une étape de détermination de la tension limite et du courant limite du point limite, et 25 - une étape de détermination de la distance entre la flamme et la paroi, à partir de la relation : d3 = k(P).UO2.S/Io dans laquelle d désigne la distance entre la flamme et la paroi, Uo désigne la tension limite, Io désigne le courant limite, k(P) désigne un 30 coefficient prédéterminé qui est fonction de la pression dans la chambre de combustion, et S désigne la surface de mesure de l'électrode de mesure. Par � polarisation négative de l'électrode de mesure � au sens de l'invention, on entend que l'électrode de mesure est portée à un 5 potentiel inférieur à celui de la flamme. Par � paroi de la chambre de combustion � au sens de l'invention, on entend la surface interne de la dite chambre. L'électrode de mesure est avantageusement soumise à des tensions comprises entre -10V et -0,1V. 10 Le point limite peut être situé à l'endroit de la caractéristique où la pente de la caractéristique devient constante. La flamme est avantageusement en contact avec une électrode auxiliaire reliée à la paroi de la chambre de combustion et à la terre, la tension de polarisation étant appliquée entre l'électrode de mesure et 15 l'électrode auxiliaire. L'étape de polarisation négative de l'électrode de mesure est de préférence mise en oeuvre pendant une durée comprise entre 10-6 et 103 s. La pression dans la chambre de combustion peut être mesurée à 20 l'aide d'un capteur de pression ou à l'aide d'un capteur d'angle vilebrequin. Les avantages ainsi que d'autres buts et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux 25 dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme représentant différentes évolutions de la tension de polarisation en fonction du temps, - les figures 3 et 4 sont des caractéristiques courant/tension, utiles à la compréhension de l'invention. Tel qu'illustré à la figure 1, le dispositif comprend une sonde d'ionisation 1 disposée dans une culasse 2 d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. La chambre de combustion est délimitée par une face interne 9. La sonde 1 comprend une électrode centrale de mesure 3, une électrode périphérique 4, un cylindre diélectrique 5, une alimentation électrique 6 et une résistance 7. En mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, la sonde 1 permet de mesurer la distance de coincement d entre une flamme 10 et la face interne 9 de la chambre de combustion. L'électrode centrale de mesure 3 et l'électrode périphérique 4 sont des électrodes métalliques cylindriques et coaxiales. L'électrode de mesure 3 présente une surface supérieure sensiblement alignée avec la face interne 9 de la chambre de combustion, de façon à ce qu'on puisse réellement déterminer la distance d entre la flamme 10 et la face interne 9 de la chambre de combustion. L'électrode de mesure 3 est isolée électriquement de l'électrode périphérique 4 par le cylindre diélectrique 5. L'électrode périphérique 4 est en contact avec la culasse 2 de la chambre de combustion et est reliée à une terre 11. La face de l'électrode périphérique 4 en regard de la chambre de combustion comprend des portions supérieures 8, situées au-dessus de la paroi 9 et s'étendant vers l'intérieur de la chambre de combustion. Chaque portion supérieure 8 peut être un prolongement de l'électrode périphérique 4 ou un organe métallique solidaire mécaniquement et relié électriquement à l'électrode périphérique 4. L'organe métallique peut être constitué par une antenne, et notamment une antenne de faible diamètre par rapport au diamètre de l'électrode périphérique 4. Le diamètre des antennes peut notamment être au moins dix fois inférieur au diamètre de l'électrode périphérique 4. En outre, les antennes sont avantageusement constituées en un matériau métallique dont le point de fusion est élevé. Le matériau constituant les antennes peut par exemple être un alliage à base de nickel. Tel qu'illustré à la figure 1, chaque portion supérieure 8 de l'électrode périphérique 4 est coudée de sorte que la portion 8 s'étende en direction de l'axe de l'électrode périphérique 4. On peut également envisager que chaque portion supérieure 8 de l'électrode périphérique 4 soit coudée de sorte que ladite portion 8 s'éloigne de l'axe de l'électrode périphérique 4. Ceci permet de limiter les perturbations des signaux mesurés grâce à une diminution de la capacité parasite du dispositif. Les portions supérieures 8 de l'électrode périphérique 4 sont avantageusement disposées de manière régulière. Dans le cas où il y a deux portions supérieures 8, celles-ci sont disposées tous les 180°. Si on envisage de mettre en oeuvre quatre portions supérieures 8, celles-ci seront disposées tous les 90°, de façon à ce que les portions forment une croix vue de dessus. L'électrode centrale 3 et l'électrode périphérique 4 sont reliées à des moyens de polarisation et de mesure du courant d'ionisation. L"électrode centrale 3 est reliée à la borne négative de l'alimentation électrique 6 par l'intermédiaire de la résistance 7. L'électrode périphérique 4 est en contact avec la culasse 2 de la chambre de combustion et avec la terre 11. De cette façon, la flamme 10 est mise au potentiel de la culasse 2, qui est le potentiel de la terre 11, via l'électrode périphérique 4. On peut également envisager que l'électrode périphérique 4 soit isolée de la culasse 2 de la chambre de combustion par un cylindre diélectrique et que l'électrode périphérique 4 soit reliée à la borne positive de l'alimentation électrique 6. L'électrode centrale 3 est ainsi portée à un potentiel négatif par 30 rapport à l'électrode périphérique 4. Par suite, l'électrode périphérique 4 constitue l'anode et l'électrode centrale 3 constitue la cathode du dispositif de mesure. La résistance 7 permet de mesurer le courant électrique dans le circuit constitué et de déterminer ainsi le courant d'ionisation. L'intensité du courant mesuré aux bornes de la résistance 7 est en effet fonction de la conductivité électrique de la flamme 10 qui est directement liée au régime de combustion. De façon à être en contact avec la flamme 10, les portions supérieures 8 de l'électrode périphérique 4 s'étendent avantageusement vers l'intérieur de la chambre de combustion sur une distance supérieure à la distance de coincement d. La distance de coincement d correspond à la distance à laquelle la flamme 10 s'arrête par rapport à la paroi 9 de la chambre de combustion, lors d'une combustion. La distance d correspond à l'épaisseur de la couche limite thermique entourant la paroi 9 de la chambre de combustion. Le fait que les portions supérieures 8 s'étendent sur une distance supérieure à la distance de coincement d, et soient ainsi en contact avec la flamme 10, permet d'assurer un bon contact électrique au moment de l'arrivée de la flamme 10 au niveau du dispositif de mesure. On assure ainsi un bon échange thermique entre la flamme 10 et les portions supérieures 8, de sorte que les portions supérieures 8 sont portées à une température proche de celle de la flamme 10. Ceci permet de fournir une mesure stable et précise du courant 25 d'ionisation et améliore ainsi la mesure locale en temps réel de paramètres physiques dans la chambre de combustion. Tel qu'illustré à la figure 2, la caractéristique de la tension de polarisation en fonction du temps peut prendre différentes formes. La mesure du courant d'ionisation est effectuée pendant les zones de la 30 caractéristique marquées en traits épais. Ces zones sont avantageusement périodiques, ce qui permet d'effectuer plusieurs mesures pendant une durée At, puis d'en faire une moyenne, pour augmenter la précision de la mesure. Le courant d'ionisation est de préférence mesuré pour des tensions de polarisation comprises entre une tension minimale sensiblement égale à - 10V et une tension maximale sensiblement égale à - 0.1V, et ce, quelles que soient les conditions de la flamme (pression, composition du mélange, nature du carburant). Le courant d'ionisation ainsi détecté représente un signal relativement faible, de l'ordre de 0.1 A par m2 de la surface de mesure de l'électrode de mesure. Pour que les mesures ne soient pas trop perturbées par des oscillations parasites générées par le circuit électrique d'alimentation autour des points crêtes de rupture MIN et MAX, l'amplitude de la tension de polarisation est de préférence plus importante que la plage de tensions de mesure [Umin, Umax]• La durée de mesure At est de préférence supérieure à environ 10-6 s, qui est le temps caractéristique de collecte des ions de la flamme. La durée At est également de préférence inférieure à 10-3 s, qui est le temps caractéristique de déplacement de la flamme. Afin d'améliorer la précision de mesure en réalisant l'analyse statistique des valeurs enregistrées, il est possible d'effectuer N mesures similaires de manière que leur durée totale reste inférieure à 10-3 s. La caractéristique courant-tension réalisée lorsqu'on fait évoluer la tension de polarisation, telle qu'illustrée à la figure 3, peut être 25 divisée selon deux zones de tension de polarisation A et B. La zone B, à l'intérieur de laquelle la caractéristique est sensiblement courbe, correspond aux faibles tensions de polarisation (en valeur absolue) appliquées. Cette tension peut par exemple être comprise entre 0 et -5V. Le courant d'ionisation ainsi récupéré 30 représente la charge ionique attirée du front de la flamme à travers la distance de coincement. L'amplitude du courant ionique dépend de la tension de polarisation et de la distance de coincement. A une certaine tension limite Uo, la totalité des ions se trouvant à la lisière du front de la flamme sont collectés par l'électrode de mesure. Lorsque la tension de polarisation devient encore plus importante en valeur absolue, les ions localisés à l'intérieur de la zone d'ionisation chimique du front de flamme commencent à sentir la force d'attraction de la sonde polarisée. A partir de ce moment, le nombre des ions se trouvant dans la flamme étant beaucoup plus important que celui à la frontière, le courant ionique augmente fortement. On se situe alors dans la zone A, à l'intérieur de laquelle la caractéristique est sensiblement rectiligne. La tension limite Uo correspond au point L de changement de pente de la caractéristique courant-tension. Le procédé de mesure de la distance de coincement selon l'invention comprend une étape consistant à trouver la valeur de la tension limite Uo. Pour cela, on peut par exemple calculer la dérivée dI/dU de la caractéristique enregistrée et trouver le point limite L qui correspond à la tension pour laquelle la dérivée devient constante. De nombreux algorithmes mathématiques permettent de déterminer ainsi le point limite L. La distance de coincement d est ensuite obtenue directement à partir de la valeur de Uo (en V) et du courant ionique correspondant Io (en A) selon la relation suivante : d3 = k(P).UO2.S/Io dans laquelle k(P) désigne un coefficient prédéterminé qui est fonction de la pression dans la chambre de combustion, et S désigne la surface de mesure de l'électrode centrale de mesure (en m2). Cette relation satisfait la loi de Child Langmuir. Le coefficient k(P) peut être prédéterminé en fonction de la pression régnant dans la chambre de combustion. Exemple On a déterminé le coefficient k(P) en fonction de différentes valeurs de pression. Les résultats figurent dans le tableau 1. Pression P (bar) Coefficient k(P) (A.m/V2) 1 2,99.10-15 2 1,64.10-15 3 1,16.10-15 4 0,90.10-15 5 0,75.10-15 6 0,64.10-15 7 0.56.10-15 8 0.50.10-15 9 0.45.10-15 0.41.10-15 20 Tableau 1 k(P) peut ensuite être déterminé par extrapolation à partir de la courbe obtenue. On utilise un mélange stoechiométrique méthane/air à 2.6 bars. 25 Le diamètre de l'électrode de mesure est de 2 mm. La tension est appliquée en triangle à la fréquence de 15 kHz et avec une amplitude de 12V. La figure 4 montre la caractéristique courant-tension enregistrée. Le point limite correspond à une tension de polarisation de l'ordre de -6V et un courant d'ionisation de l'ordre de 0.05 A par m2 de 30 surface de mesure de l'électrode de mesure. La distance de coincement 10 15 calculée à partir de ces valeurs est de l'ordre de 0.1 mm et coïncide avec la valeur obtenue par technique optique de visualisation de flamme ou par technique thermique à l'aide d'un fluxmètre implanté sur la paroi de la chambre de combustion. Le procédé selon l'invention permet ainsi de déterminer la distance de coincement de manière simple et instantanée. Le procédé permet en outre de déterminer localement la distance de coincement, à tout endroit souhaité de la paroi de la chambre de combustion. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la distance (d) entre une flamme (10) et une paroi (9) d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - une étape de polarisation négative d'une électrode de mesure (3) munie d'une surface de mesure alignée avec la paroi (9), de manière à ce que l'électrode de mesure (3) attire les ions positifs de la flamme (10), et à ce qu'un courant d'ionisation apparaisse ainsi dans l'électrode de mesure (3), la polarisation étant mise en oeuvre par application d'une pluralité de tensions de polarisation, dans un intervalle de tension suffisamment large pour que la caractéristique du courant d'ionisation en fonction de la tension appliquée présente une zone sensiblement courbe et une zone sensiblement rectiligne, la zone sensiblement courbe et la zone sensiblement rectiligne se rejoignant au niveau d'un point limite (L), - une étape de détermination de la tension limite (Uo) et du courant limite (Io) du point limite (L), et - une étape de détermination de la distance (d) entre la flamme (10) et la paroi (9), à partir de la relation : d3 = k(P).UO2.S/Io dans laquelle d désigne la distance entre la flamme (10) et la paroi (9), Uo désigne la tension limite, Io désigne le courant limite, k(P) désigne un coefficient prédéterminé qui est fonction de la pression dans la chambre de combustion, et S désigne la surface de mesure de l'électrode de mesure (3). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de mesure (3) est soumise à des tensions comprises entre -10V et -0.1V. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le point limite (L) est situé à l'endroit de la caractéristique où la pente de la caractéristique devient constante. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la flamme (10) est en contact avec une électrode auxiliaire (4) reliée à la paroi (9) de la chambre de combustion et à la terre (11), la tension de polarisation étant appliquée entre l'électrode de mesure (3) et l'électrode auxiliaire (4). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de polarisation négative de l'électrode de mesure (3) est mise en oeuvre pendant une durée comprise entre 10-6 et 10-3 s. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pression dans la chambre de combustion est mesurée à l'aide d'un capteur de pression ou à l'aide d'un capteur d'angle vilebrequin.20