Brevet FR2998054A1 — publié le 20140516

GENERATEUR DE PULSATION DE PRESSION DANS UN FLUX DE GAZ Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à la génération de pulsations de pression dans un gaz. L'invention concerne plus particulièrement un générateur de pulsation de pression dans un flux de gaz. Arrière-plan technologique Afin de pouvoir, à l'exemple du document W02012113831A2, tester en banc d'essais des organes tel que les turbocompresseurs, dans des conditions représentatives d'un fonctionnement réel de moteur thermique, il s'avère nécessaire de reproduire les pulsations de pressions d'échappement observées sur moteur. Pour ce faire, il est connu de générer par un dispositif approprié un flux de gaz pulsé à partir d'un flux de gaz essentiellement stationnaire. On connait par exemple du document CN1800805A un générateur de flux de gaz pulsé pour banc d'essai de turbocompresseur comprenant un dispositif de rotation de couples d'arc de disque placé dans la ligne de gaz. La rotation de ces arcs de disque permet de générer des pulsations de pression. Un tel dispositif présente cependant l'inconvénient de manquer de flexibilité de réglage de l'amplitude des pulsations et de leur fréquence, en particulier on ne peut pas changer l'espacement entre deux pulses de pression, ni modifier la largeur d'un pulse de pression, il nécessite la modification de la configuration des arcs de disque et donc une opération manuelle de changement d'arcs de disque. On connaît encore du document DE102008036042A1 un autre dispositif pour générer un flux de gaz pulsé à partir d'un flux de gaz non pulsé. Dans ce document, le dispositif présenté est basé sur l'ouverture / fermeture du passage de gaz par rotation d'un conduit de passage. Un tel dispositif présente aussi l'inconvénient de manquer de flexibilité de réglage de la fréquence, dans ce cas encore, ni l'espacement entre deux pulses de pression, ni leur largeur ne peuvent être modifiés et de l'amplitude des pulsations. Un but de la présente invention est de proposer un générateur de pulsation de pression dans un flux de gaz dont le réglage des pulsations en fréquence, en durée, en espacement et en amplitude soit plus flexible que l'art antérieur, et qui notamment soit apte à fonctionner avec un flux de gaz porté à des conditions de température et de pression représentatives de gaz d'échappement de moteur thermique, en particulier de ceux qui équipent un véhicule automobile. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un générateur de pulsations de pression dans un premier flux de gaz comportant une première ligne de gaz destinée à être traversée par le premier flux de gaz entre une entrée et une sortie de ladite ligne (1) de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : -un conduit débouchant dans la ligne de gaz par une ouverture, -des moyens de déplacement aptes à imprimer une pulsation de pression dans le premier flux de gaz en déplaçant dans le conduit une interface de contact avec le premier flux de gaz. L'effet technique est que lorsque le flux de gaz traverse la ligne de gaz, le déplacement de l'interface engendre une variation du volume de gaz du flux de gaz dans le conduit qui a pour conséquence de créer une pulsation de pression dans le flux de gaz traversant la ligne de gaz. Le flux de gaz sortant est ainsi rendu pulsé. Dans une variante, le conduit est démontable. Dans une autre variante, le générateur de pulsations de pression de l'invention comprend une pluralité de conduits en parallèle. Dans une autre variante, le conduit s'étend en s'élargissant vers l'ouverture dans la ligne de gaz. Dans une autre variante, les moyens de déplacement de l'interface comprennent un 25 piston monté coulissant dans le conduit et dont la face en contact avec le premier flux de gaz forme l'interface de contact. Dans une autre variante, le piston peut coulisser librement sur tout ou partie d'une course déterminée. 30 Dans une autre variante, le piston est mu par des moyens d'actionnement choisis parmi un système bielle-manivelle, un actionneur électromagnétique, un actionneur hydraulique. Dans une autre variante, les moyens de déplacement de l'interface comprennent : 35 -une seconde ligne de gaz destinée à être traversée par un second flux de gaz, ladite seconde ligne étant reliée au conduit par une seconde ouverture et comprenant une 20 vanne de remplissage et une vanne de vidange disposées, relativement au sens du second flux de gaz respectivement en amont et en aval de la seconde ouverture. -Des moyens de pilotage des vannes configurés pour synchroniser l'ouverture et la fermeture de la vanne de remplissage et de la vanne de vidange de sorte à contrôler le déplacement de l'interface de contact au moyen du second flux de gaz. L'invention porte aussi sur un ensemble de production de flux de gaz pulsé, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur selon la variante précédente et des moyens d'alimentation en premier et en second flux de gaz. Dans une variante de l'ensemble de production de flux de gaz pulsé, la densité du second flux de gaz est différente de celle du premier flux de gaz. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation préféré du générateur de pulsation de pression dans un flux de gaz selon l'invention. - La figure 2 est un exemple de chronogramme d'ouverture/fermeture des vannes de remplissage et de vidange du générateur de pulsation de pression selon le mode de réalisation présenté en figure 1. - La figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation du générateur de pulsation de pression dans un flux de gaz selon l'invention. - La figure 4 est une représentation schématique d'encore un autre mode de réalisation du générateur de pression dans un flux de gaz selon l'invention. Description détaillée La figure 1 présente un mode préféré de réalisation d'un générateur de pulsation de pression dans un flux de gaz selon l'invention. Dans ce mode préféré de réalisation, le générateur de pulsation de pression comprend une première ligne 1 de gaz. Cette première ligne 1 de gaz comprend une entrée 2 et une sortie de gaz 3. La première ligne 1 de gaz est destinée à être traversée par un premier flux de gaz entre l'entrée 2 et la sortie 3 de gaz. Le premier flux de gaz représente le gaz à pulser, autrement dit le flux de gaz dans lequel on souhaite générer des pulsations de pression. Le générateur de pulsation de pression comprend encore un conduit 4 débouchant dans la première ligne 1 de gaz par une ouverture 5. Le générateur de pulsation de pression comprend encore une seconde ligne 8 de gaz destinée à être traversée par un second flux de gaz entre une seconde entrée 9 de gaz et une seconde sortie 10 de gaz. Cette seconde ligne 8 de gaz est reliée au conduit 4 par une seconde ouverture 11 et comprend une vanne de remplissage 12 et une vanne de vidange 13 disposées dans la seconde ligne 8 de gaz respectivement en amont et en aval de la seconde ouverture 11. L'amont et l'aval sont ici définis relativement au sens de traversée du second flux de gaz dans la seconde ligne de gaz, de l'entrée 9 vers la sortie 10. Le générateur de pulsation de pression comprend encore des moyens de pilotage, non représentés, de la vanne de remplissage 12 et de la vanne de vidange 13. Les moyens de pilotage peuvent se présenter sous la forme d'une unité de commande électronique. Conformément à l'invention, le générateur de pulsation de pression comprend en outre des moyens de déplacement aptes à imprimer une pulsation de pression dans le premier flux de gaz en déplaçant une interface 6 de contact avec le premier flux de gaz dans le conduit 4. Le générateur de pulsation de pression peut former un ensemble de production de flux de gaz pulsé dans lequel : -L'entrée 2 de la première ligne 1 de gaz est reliée à des moyens d'alimentation du générateur en premier flux de gaz. -L'entrée 9 de la seconde ligne 8 de gaz est reliée à des moyens d'alimentation du générateur de pulsation de pression en second flux de gaz. Les moyens de pilotage sont configurés pour synchroniser l'ouverture et la fermeture de la vanne de remplissage 12 et de la vanne de vidange 13 de sorte à contrôler, en amplitude, en durée, en espacement dans le temps et en fréquence le déplacement de l'interface 6 et conséquemment la pulsation de pression imprimée au premier flux de gaz. La figure 2 présente un exemple de chronogramme de synchronisation du pilotage de la vanne de remplissage 12 et de la vanne de vidange 13. Sur la figure 2, la courbe 12' en trait plein représente la loi de commande de la vanne 12 de remplissage tandis que la courbe 13' en pointillé représente la loi de commande de la vanne 13 de vidange. L'état 0 représente l'état fermé d'une vanne et l'état 1 représente l'état ouvert d'une vanne. Ainsi, dans l'exemple présenté en figure 2, entre l'instant tO et t1, la vanne 13 de vidange est fermée (état 0 de la courbe 13') tandis que la vanne 12 de remplissage effectue un cycle ouverture / fermeture pendant lequel le second flux de gaz remplit le conduit 4. L'interface 6, formé dans cette configuration par la zone de contact entre le premier et le second flux de gaz, se déplace alors vers la première ligne 1 de gaz, et une phase de compression est imprimée au premier flux de gaz. Entre l'instant t1 et l'instant t2, la vanne 12 de remplissage est fermée (état 0 de la courbe 12') tandis que la vanne 13 de vidange effectue un cycle ouverture / fermeture pendant lequel le second flux de gaz évacue le conduit 4. L'interface 6 se déplace alors vers la seconde ligne 8 de gaz, et une phase de détente est imprimée au premier flux de gaz. Le pilotage de la synchronisation de l'ouverture / fermeture de la vanne de remplissage 12 et de la vanne de vidange 13 peut être aisément adaptée pour modifier l'amplitude, la durée, l'espacement dans le temps et la fréquence de déplacement de l'interface 6 donc pour modifier l'amplitude la durée, l'espacement dans le temps et la fréquence de la pulsation de pression imprimée au premier flux de gaz, en jouant par exemple sur la durée des cycles ouverture / fermeture des vannes, leur espacement, le débit traversant les vannes, ou encore leurs sections de passage si on envisage une vanne à ouverture proportionnelle. Ainsi, l'ouverture et la fermeture de la vanne de remplissage 12 et de la vanne de vidange 13 est réalisée de sorte à contrôler le déplacement de l'interface 6 et sa position dans le conduit 4 au moyen du second flux de gaz : en cours de fonctionnement, dans le conduit 4 vont se trouver à la fois des gaz en provenance des moyens d'alimentation en premier et en second flux de gaz, l'interface 6 de contact premier flux de gaz / second flux de gaz va se déplacer d'un côté ou de l'autre du conduit 4 par l'alternance de phase de remplissage/vidange du second flux de gaz au niveau du conduit 4. La conséquence est que des phases de compression/détente ont lieu du côté du premier flux de gaz : un débit pulsé est donc généré au niveau de la sortie 3 de la première ligne 1 de gaz. Le conduit 4 peut être cylindrique, cependant il est apparu suite à des simulations numériques qu'une configuration conique, autrement dit avec un conduit 4 s'étendant en s'élargissant vers l'ouverture 5 dans la ligne 1 de gaz comme illustré en figure 1 donnait de meilleurs résultats concernant le risque de transfert des gaz de la première ligne de gaz vers la seconde et inversement. On donne ci-dessous un exemple de dimensionnement du générateur de l'invention pour un cas de fonctionnement représentatif de gaz d'échappement de moteur thermique, en particulier de ceux qui équipent un véhicule automobile. Ce cas correspond à un fonctionnement moteur chargé, donc là où les débits et les amplitudes de pression sont les plus forts dans un temps d'actionnement très court : -Débit de gaz chaud : 170 g/s, -Température gaz chaud : 850 K, -Pression moyenne gaz chaud : 3 bar, -Amplitude autour de 2 bar, -Fréquence de pulsation de gaz chaud : 200Hz. Les dimensions déterminées à partir d'une simulation sont les suivantes (cf. figure 1) : Cote L11 = 50 mm, Cote L12 = 50mm, Cote H = 800 mm, Cote 01 = 25 mm, Cote 02 = 50 mm, Cote L21 = 100 mm, Cote L22 = 100 mm. Ainsi, avec ce dimensionnement, pour des fréquences variables jusqu'à 200 Hz et des amplitudes de pulsation jusque 2 bars les gaz chauds ne sont pas expulsés coté gaz froids et les gaz froids ne sont pas expulsés coté gaz chauds. Les moyens d'alimentation du générateur en premier flux de gaz peuvent être un réservoir de gaz préalablement chauffé et pressurisé. Ce réservoir, de volume élevé et régulé en pression permet de maintenir un débit de gaz chaud moyen constant au cours de l'essai. Le gaz chaud est ensuite évacué par la sortie 3. Les moyens d'alimentation du générateur en second flux de gaz peuvent être une source de pression de gaz à température ambiante. Cette source, régulée en pression, permet de maintenir un débit de gaz frais moyen constant au cours de l'essai. Ce gaz frais est ensuite évacué par la sortie 10. La principale difficulté est de trouver actuellement une vanne à la fois rapide, adaptée à des conditions de pression et de température et de débit représentatives de gaz d'échappement de moteur thermique, en particulier de ceux qui équipent un véhicule automobile c'est-à-dire des pressions autour de 4 à 5 bar, à une température élevée de l'ordre de 950°C pour un moteur essence, et un débit massique autour de 170 g/s . On trouve en effet des vannes rapides et adaptée aux pressions requises mais ne supportant ni les températures ni le débit requis. On trouve encore des vannes adaptées aux conditions de températures, de pression et débit requis mais pas avec des temps d'actionnement adaptés. Dans ce mode de réalisation, l'invention permet de s'affranchir de ces limitations en séparant la zone froide de la zone chaude en évitant toute pièce mécanique. Dans ce mode de réalisation, la température des gaz chauds n'est pas contraignante pour les vannes 12, 13 car celles-ci ne sont pas disposées dans le flux de gaz chaud. Aucun gaz chaud ne traversant les vannes 12, 13, celles-ci n'ont donc pas besoin d'être conçues pour tenir de hautes températures, ce qui permet d'utiliser des vannes peu onéreuses car non dimensionnées pour tenir aux fortes températures. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'être un système mécanique simple, qui ne nécessite pas de système de refroidissement, de graissage ou d'entrainement et apte à fonctionner sur des configurations moteur différentes, sans changement de pièces. Dans l'absolu il existe du mélange et de la diffusion à l'interface en raison des turbulences et de la forme de l'écoulement et donc un refroidissement / réchauffement de chaque milieu. Néanmoins, il y a une réalimentation permanente de la zone froide par du gaz froid et de la zone chaude par du gaz chaud tout au long du fonctionnement du système, ce qui limite l'impact de mélange précité. De préférence, la densité du second flux de gaz est choisie différente de celle du premier flux de gaz, afin de limiter l'impact du mélange précité. Dans l'exemple précité cette différence est obtenue par l'écart de température. La figure 3 présente maintenant un second mode de réalisation de l'invention. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation illustré à la figure 1 en ce que les moyens de déplacement de l'interface 6 du générateur de pulsation de pression de l'invention comprennent un piston 14 monté coulissant dans le conduit 4. Dans ce mode de réalisation, on comprend que la face du piston 14 en contact avec le volume de contrôle 7 forme l'interface 6. Avantageusement, le piston 14 peut coulisser librement sur tout ou partie d'une course déterminée. En effet, en fonctionnement, le déplacement du piston 14 est assuré par la poussée du second flux de gaz sur le piston 14. L'amplitude et la fréquence du déplacement du piston 14 peuvent donc être contrôlés par un pilotage approprié des vannes de remplissage et de vidange 12, 13. La course du piston 14 peut être limitée par exemple par des butées. Ce second mode de réalisation est cependant moins avantageux que le mode de réalisation présenté en figure 1 en raison d'une conception plus complexe à prévoir pour assurer l'isolation aux différents niveaux de températures et l'étanchéité en raison des dilatations. La figure 4 présente un encore un autre mode de réalisation. Cet autre mode de réalisation diffère du précédent mode de réalisation illustré à la figure 3 en ce que le piston 14 est non plus animé par la poussée du second flux de gaz, mais comme illustré sur la figure 4, est mu par un système mécanique bielle-manivelle 15. Selon des variantes possibles non représentées, le piston 14 peut être mu par des moyens d'actionnement autres tels qu'un actionneur électromagnétique ou encore un actionneur hydraulique. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation précédemment décrits. Dans une variante le générateur de l'invention peut comprendre plusieurs conduits en parallèle afin de réduire la longueur de chaque conduit tout en conservant le même volume utile au fonctionnement de l'ensemble de production de gaz pulsé. Dans une autre variante le générateur de l'invention peut comprendre un conduit 4 démontable. Un conduit 4 démontable permet le changement de conduit et l'adaptation de celui-ci aux besoins de l'essai. Par exemple pour une forte fréquence associée à une faible amplitude un conduit court sera plus adapté, alors qu'a l'inverse pour une fréquence faible associée à une forte amplitude un conduit 4 plus long sera plus adapté. Dans une telle variante, l'ensemble de production de flux de gaz pulsé ainsi obtenu à partir de ce générateur de pulsation de pression est apte à produire des pulsations de pression sur une plage d'amplitude et de fréquence plus étendues que dans les autres modes de réalisation. L'invention permet de générer un flux de gaz pulsé à partir d'un flux de gaz en débit stationnaire. L'amplitude, la durée, l'espacement et la fréquence des pulsations de pression peuvent être paramétrées librement. Dans le domaine automobile, un ensemble de production de gaz pulsé comprenant un tel générateur permet de générer dans un gaz des signaux de pression représentatif de moteur thermique à un ou plusieurs cylindres sur toute leur plage de fonctionnement (fréquence, espace, largeur de pulse, amplitude). REVENDICATIONS1. Générateur de pulsations de pression dans un premier flux de gaz comportant une première ligne (1) de gaz destinée à être traversée par le premier flux de gaz entre une entrée (2) et une sortie (3) de ladite ligne (1) de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : -un conduit (4) débouchant dans la ligne (1) de gaz par une ouverture (5), -des moyens de déplacement aptes à imprimer une pulsation de pression dans le premier flux de gaz en déplaçant dans le conduit (4) une interface (6) de contact avec le premier flux de gaz. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (4) est démontable. 3. Générateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de conduits (4) en parallèle. 4. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le conduit (4) s'étend en s'élargissant vers l'ouverture (5) dans la ligne (1) de gaz. 5. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de déplacement de l'interface (6) comprennent un piston (14) monté coulissant dans le conduit (4) et dont la face en contact avec le premier flux de gaz forme l'interface (6) de contact. 6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le piston (14) peut coulisser librement sur tout ou partie d'une course déterminée. 7. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le piston (14) est mu par des moyens d'actionnement choisis parmi un système bielle-manivelle (15), un actionneur électromagnétique, un actionneur hydraulique. 8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de déplacement de l'interface (6) comprennent : -une seconde ligne (8) de gaz destinée à être traversée par un second flux de gaz, ladite seconde ligne (8) étant reliée au conduit (4) par une seconde ouverture (11) et comprenant une vanne de remplissage (12) et une vanne de vidange (13) disposées, relativement au sens du second flux de gaz respectivement en amont et en aval de la seconde ouverture (11).-Des moyens de pilotage des vannes (12, 13) configurés pour synchroniser l'ouverture et la fermeture de la vanne de remplissage (12) et de la vanne de vidange (13) de sorte à contrôler le déplacement de l'interface (6) de contact au moyen du second flux de gaz. 9. Ensemble de production de flux de gaz pulsé, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur selon la revendication 8 et des moyens d'alimentation en premier et en second flux de gaz. 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que la densité du second flux de gaz est différente de celle du premier flux de gaz.10