Brevet FR3035152A1 — publié le 20161021

DESCRIPTION La présente invention concerne un agencement de tête de cylindre pour une machine à combustion interne, avec un carter auquel est associée une pluralité d'éléments et avec un canal optique réalisé dans le carter et auquel est associé au moins un des éléments. La présente invention concerne en outre un procédé de détection d'une température d'un élément d'une machine à combustion interne. La présente invention concerne pour finir une machine à combustion interne pour un véhicule automobile doté d'un bloc-moteur 10 comportant au moins un cylindre et un piston. Dans le domaine de la technique automobile, les exigences légales et les demandes des clients ont conduit à la fabrication de moteurs à combustion interne à faible consommation comportant une puissance de moteur spécifique croissant en continu. L'augmentation des densités de 15 puissance conduit à une augmentation de l'énergie thermique évacuée, sous la forme de chaleur de perte, de la chambre de combustion jusque dans le système de refroidissement et l'environnement. Cette chaleur d'échappement accrue accroit également la sollicitation thermique de nombreux composants de la machine à combustion interne, soumettant 20 avant tout des éléments tels que les pistons, soupapes, têtes de cylindre, gaz d'échappement et turbocompresseurs à une sollicitation thermique accrue. La sollicitation thermique accrue est généralement résolue en augmentant le refroidissement, en renforçant les mesures de construction et en utilisant des matériaux plus onéreux, pour garantir la fiabilité des 25 moteurs. En l'occurrence, les mesures de construction sont généralement meilleur marché et les matériaux de plus grande valeur plus onéreux, toutefois avec un coût de construction moindre. Dans le développement des machines à combustion interne, le chauffage d'éléments déterminés doit être pris en compte en situation de 30 fonctionnement réel du moteur et notamment le chauffage des pistons en situation de fonctionnement réel du moteur, pour ne pas dépasser les limites de température déterminées. Une détermination en continu de la température de composants déterminés est nécessaire dans la phase de développement étant donné que chaque modification de construction peut 3035152 - 2 - également avoir comme conséquence une variation de la température de composants déterminés en fonctionnement. Pour déterminer les températures d'éléments déterminés en situation de fonctionnement réel du moteur, par exemple des pistons, on 5 utilise généralement des matériaux déterminés dont la variation par rapport à la dureté de matériau permet d'influer sur les températures de fonctionnement. On intègre également des éléments thermiques de la machine à combustion interne pour pouvoir mesurer les variations de température en situation de fonctionnement. Il est désavantageux dans le procédé connu que la plage de mesure de température soit petite, la précision de mesure réduite et le coût technique de mesure de la température élevé, la mesure de température ne pouvant éventuellement simultanément pas se produire dans des conditions réelles et induisant ainsi une insécurité par rapport aux températures de fonctionnement mesurées. L'objectif de la présente invention est donc de mettre à disposition un agencement de tête de cylindre dans lequel la mesure d'une température d'un élément est possible précisément dans des conditions réelles. L'objectif de la présente invention est en outre de mettre à disposition un procédé amélioré correspondant pour mesurer une température d'un élément d'une machine à combustion interne. Cet objectif est atteint dans l'agencement de tête de cylindre précédemment cité en associant une caméra thermographique au canal optique, ladite caméra étant réalisée pour détecter ou acquérir, à travers le 25 canal optique, le rayonnement infrarouge d'au moins un élément pour mettre à disposition une image thermographique de l'au moins un élément. Cet objectif est atteint dans le procédé susmentionné par le fait que le rayonnement infrarouge d'au moins un élément est détecté ou acquis à travers le canal optique, le canal optique étant réalisé dans un carter de 30 l'agencement de tête de cylindre et une image thermographique de l'au moins un élément étant mise à disposition au moyen d'une caméra thermographique. L'objectif de la présente invention est atteint dans la machine à combustion interne susmentionnée du fait d'un agencement de tête de 35 cylindre selon la présente invention. Le rayonnement infrarouge de l'élément à mesurer à travers le canal optique de l'agencement de tête de cylindre est détecté ou acquis par 3035152 - 3 - la caméra thermographique et une image thermographique correspondante est mise à disposition par le biais de la caméra thermographique, permettant ainsi de déterminer sans contact la température de l'élément à mesurer et de détecter ou d'acquérir, par la représentation du rayonnement infrarouge sur 5 la caméra thermographique, les influences exercées par le rayonnement latéral résiduel ou le rayonnement infrarouge réfléchi et le cas échéant de les réduire, permettant ainsi une mesure de température précise des éléments de l'agencement de tête de cylindre et/ou des éléments de la chambre de combustion de la machine à combustion interne dans des 10 conditions réelles. La mesure pyrométrique permet en outre une précision élevée et simultanément une grande plage de températures dans laquelle la température de l'élément peut être déterminée, de façon à permettre une mesure de température précise en situation de fonctionnement réel tout en déterminant simultanément une répartition de la température en situation de 15 fonctionnement réel du moteur. L'objectif de la présente invention est ainsi entièrement atteint. Dans un mode de réalisation préféré, le canal optique est réalisé sous la forme d'un canal en ligne droite et comporte une ouverture au niveau d'une extrémité axiale associée à l'au moins un élément. 20 Le rayonnement infrarouge de l'au moins un élément peut ainsi être déterminé de façon précise, sans que le rayonnement infrarouge d'autres composants de l'agencement de tête de cylindre influence la mesure. On préfère en outre lorsqu'un élément d'étanchéité transparent 25 est associé au canal optique, ledit élément d'étanchéité étanchéifiant le canal optique sur le plan gazeux le canal optique par rapport à l'au moins un élément. Ceci permet de mesurer, avec un coût techniquement moindre, les éléments de l'agencement de tête de cylindre et/ou de la chambre de 30 combustion de la machine à combustion interne disposés dans une région dans laquelle la pression varie beaucoup. On préfère en outre disposer une unité optique dans le canal optique, ladite unité étant réalisée pour représenter le rayonnement infrarouge sur la caméra thermographique. 35 La caméra thermographique permet ainsi de mettre à disposition une image thermographique correspondante de l'au moins un élément de l'agencement de tête de cylindre ou de la chambre de 3035152 - 4 - combustion, de façon à permettre de mesurer la répartition de la température dans une région de la machine à combustion interne ou de l'agencement de tête de cylindre. On préfère en outre que l'unité optique comporte un système de 5 lentilles cylindriques. On peut ainsi disposer dans le canal optique un système optique de type endoscopique, de sorte que l'image thermographique puisse être prise à une plus grande distance par la caméra thermographique, permettant une représentation du rayonnement infrarouge à travers l'agencement de 10 tête de cylindre. Ceci permet une représentation infrarouge en situation de fonctionnement réel du moteur. Il est en outre préféré que l'unité optique comporte une pluralité de lentilles en saphir. Ceci permet de représenter le rayonnement infrarouge 15 traversant l'unité optique sur la caméra thermographique. Il est en outre préféré que le canal optique soit réalisé sous la forme d'un tube en ligne droite et comporte une surface d'enveloppe étanche aux gaz et aux liquides. Le canal optique peut ainsi être disposé dans la tête de cylindre 20 à travers des chambres de refroidissement d'eau et/ou d'huile, une mesure infrarouge étant également possible dans des positions difficilement accessibles dans la tête de cylindre et/ou la machine à combustion interne. Le canal optique et les éléments logés à l'intérieur ainsi que la caméra thermographique peuvent ainsi être protégés des influences 25 thermiques de la chambre de combustion de la machine à combustion interne, rendant possible une mesure fiable de la température. Avantageusement, le canal optique comporte un agencement de refroidissement pour refroidir le canal optique. Il est en outre préféré que l'agencement de refroidissement soit 30 relié à une unité de refroidissement de la tête de cylindre. Ceci permet de réaliser à un coût techniquement réduit un refroidissement continu du canal optique. Il est particulièrement préféré que l'agencement de refroidissement du canal optique soit un refroidissement de liquide. 35 Ceci permet un refroidissement efficace du canal optique à un coût techniquement réduit. 3035152 - 5 - Il est en outre préféré que la caméra thermographique soit reliée à une unité d'analyse électronique réalisée pour déterminer une température d'au moins une zone de l'image thermographique. Une zone de mesure peut ainsi être sélectionnée précisément et 5 un comportement dynamique de l'élément dans l'agencement de tête de cylindre et/ou dans la chambre de combustion être observé, pour déterminer précisément la température de l' au moins une zone. Dans un mode de réalisation préféré, la caméra thermographique comporte une fréquence de prise de plus de 10 000 images 10 par seconde. Ceci permet de suivre précisément des processus dynamiques dans l'agencement de tête de cylindre et/ou la chambre de combustion de la machine à combustion interne, notamment en situation de vitesses de rotation élevées du moteur. 15 En tout, l'agencement de tête de cylindre selon la présente invention, le procédé selon la présente invention et la machine à combustion interne selon la présente invention permettant une détermination précise et détaillée des rapports thermiques dans la tête de cylindre et/ou la chambre de combustion de la machine à combustion 20 interne, de sorte qu'une analyse thermique complète est possible en situation de fonctionnement réel du moteur. On comprendra que les caractéristiques susmentionnées et celles expliquées par la suite peuvent être utilisées non seulement dans la combinaison respectivement fournie mais aussi dans d'autres combinaisons 25 ou de façon générale, hors du cadre de la présente invention. Des exemples de réalisation de la présente invention sont représentés sur le dessin et expliqués plus en détail dans la description suivante. La figure 1 illustre une vue en coupe schématique d'un 30 agencement de tête de cylindre équipé d'un canal optique et d'une caméra thermographique pour mesurer la température ; la figure 2 illustre un organigramme schématique permettant d'expliquer une mesure de température à l'aide de la caméra thermographique ; et 35 la figure 3 illustre une image thermographique d'une chambre de combustion avec une courbe de température dans deux zones différentes dans la chambre de combustion de la machine à combustion interne. 3035152 - 6 - La figure 1 illustre une vue partielle schématique d'un agencement de tête de cylindre, celui-ci étant désigné de façon générale par la référence numérique 10. L'agencement de tête de cylindre 10 comporte généralement un carter 12 délimitant l'agencement de tête de cylindre 10 5 vers l'extérieur. L'agencement de tête de cylindre 10 est relié à un bloc-moteur 14 représenté sur la figure 1 uniquement de façon schématique dans une vue partielle, le bloc-moteur 14 comportant au moins un cylindre 16 dans lequel au moins un piston 18 est logé. Les hautes densités de puissance des machines à combustion interne modernes permettent la sollicitation 10 thermique très élevée, notamment du piston 18, de sorte que pendant la phase de développement de machines à combustion interne, la température de fonctionnement réelle du piston et de sa surface doit être mesurée régulièrement, pour éviter une sollicitation thermique trop importante lors du fonctionnement du produit fini. 15 Sur la figure 1, l'agencement de tête de cylindre comporte en outre un canal optique 20 réalisé dans le carter 12 et comportant une ouverture 24 associée à une chambre de combustion 22 du bloc-moteur 14. Le canal optique 20 est généralement relié optiquement à une caméra thermographique 26, pour déterminer généralement un rayonnement 20 infrarouge 28, irradié par le piston 18, à travers le canal optique 20, et le représenter de façon correspondante. La caméra thermographique 26 est généralement reliée à une unité de commande 30 réalisée pour commander la caméra thermographique 26 et analyser l'image thermographique mise à disposition et pour déterminer, sur la base de l'image thermographique, au moins une température dans la chambre de combustion 22 ou au niveau du piston 18. Le canal optique 20 comporte généralement un tube enveloppant 32 formant une surface d'enveloppe extérieure du canal optique 20 et logé dans le tube intérieur 34. Le tube intérieur 34 comporte un refroidissement d'eau 36 réalisé pour refroidir le tube intérieur 34 ainsi qu'une unité optique 38 logée à l'intérieur. Le tube intérieur 34 est fermé de façon étanche aux gaz par un élément d'étanchéité 40, dans la région de l'ouverture 24, par rapport à la chambre de combustion 22, l'élément d'étanchéité 40 étant formé de façon à être perméable aux rayonnements infrarouges et/ou étant transparent et étant de préférence formé de verre en saphir. 3035152 - 7 - Le tube intérieur 34 est étanchéifié dans le tube enveloppant 32 à l'aide d'une bague d'étanchéité 42 et l'unité optique 38 est disposée de façon élastique dans le tube intérieur 34 à l'aide d'amortisseurs 44. Le tube enveloppant 32 est fermé au niveau d'un côté opposé à l'ouverture 24 au 5 moyen d'un écrou enveloppant 46, le tube intérieur 34 étant fermé au niveau d'une extrémité opposée au niveau d'une ouverture 24 au moyen d'un écrou enveloppant 48. Un thermoélément 49 est disposé dans le tube intérieur 34, pour détecter une température de l'unité optique 38. L'unité optique 38 est réalisée sous la forme d'un système de 10 lentilles cylindriques avec des propriétés endoscopiques, pour représenter le rayonnement infrarouge 28 via le canal optique 20 s'étendant dans le sens de la longueur jusqu'à la caméra thermographique 26. Le système de lentilles cylindriques comporte des lentilles laissant passer de façon correspondante le rayonnement infrarouge 28 et de préférence formées en 15 saphir. Les lentilles comportent respectivement un tranchant et/ou une courbure de surface adaptés à la réfraction dans le spectre infrarouge des faisceaux infrarouges 28. Le système de lentilles cylindriques permet de représenter les faisceaux infrarouges 28 sur la caméra thermographique 26 à travers la petite ouverture 24 et de mettre à disposition une image 20 infrarouge correspondante de la chambre de combustion 22. Pour protéger le système de lentilles cylindriques de l'unité optique 38 par rapport à la chambre de combustion 22 et notamment par rapport aux rapports de température et de pression régnant dans la chambre de combustion 22, l'élément d'étanchéité 40 est disposé dans l'ouverture 24 25 et est de préférence formé en saphir. Le tube enveloppant 32 et/ou le tube intérieur 34 est en outre pourvu d'un refroidissement de liquide 36. Ceci permet de protéger la totalité du canal optique 20 avec tous ses éléments contre une sursollicitation thermique. La caméra thermographique 26 comporte un détecteur pouvant 30 détecter la totalité de la plage du spectre infrarouge de la lumière et comportant en outre un filtre laissant respectivement passer, en fonction du cas d'application, une plage de longueurs d'onde déterminée du spectre infrarouge. Ceci permet d'adapter la sensibilité de la caméra thermographique 26 au matériau à mesurer. En l'occurrence, les longueurs 35 d'onde sont comprises entre 1,4 ium et 1,8 ium pour l'acier et entre 1,8 ium à 2,2 ium pour la matière plastique, de façon préférée. La présence de multiples filtres permet en outre de détecter et de comparer différentes 3035152 - 8 - plages de longueurs d'onde. La plage spectrale peut en outre être adaptée à la plage de mesure de température, ce qui permet de rendre la mesure plus précise. La caméra thermographique 26 comporte de préférence une 5 résolution la plus haute possible, notamment 1280 x 1024 ou plus et une fréquence de prise élevée supérieure à 10 000 images par seconde (FPS) à la résolution restante la plus haute possible. Ceci permet de représenter des processus dynamiques dans la chambre de combustion 22, même à des vitesses de rotation élevées du moteur, et ainsi de détecter de façon 10 correspondante la température. L'unité de commande 30 est réalisée pour analyser l'image thermographique mise à disposition par la caméra thermographique 26. En l'occurrence, une ou plusieurs plages de mesure peuvent être définies manuellement ou automatiquement dans l'image thermographique et une 15 courbe de température peut être déterminée de façon correspondante au niveau de la plage sélectionnée via le rayonnement infrarouge 28 détecté. Ceci permet une mesure précise de la température dans la chambre de combustion 22, permettant ainsi de reconnaître les effets de dégradé et le rayonnement par diffusion grâce à la sélection correspondante de la plage 20 de mesure et le cas échéant de les éviter. La figure 2 illustre un schéma d'une chaîne de mesure de l'agencement de tête de cylindre 10 selon l'invention servant à mesurer une température T dans la chambre de combustion 22. Le rayonnement infrarouge 28 sortant de la chambre de combustion 22 est projeté à travers 25 l'unité optique 38 de façon endoscopique sur la caméra thermographique 26, la caméra thermographique 26 mettant à disposition l'image thermographique 52 et la transmettant à l'unité de commande 30. L'unité de commande 30 analyse l'image thermographique 52, l'unité de commande 30 définissant différentes plages de mesure dans l'image thermographique 30 52 et détectant la température T et/ou la courbe de température au niveau des plages de mesure définies et les mettant à disposition sous la forme de valeur de mesure. Ceci permet une mesure de température précise de différentes zones dans la chambre de combustion 22. 35 La figure 3 illustre l'image thermographique 52 mise à disposition de l'unité de commande 30 par la caméra thermographique 26. L'unité de commande 30 définit dans l'image thermographique 52 3035152 - 9 - différentes zones de mesure et notamment une première zone 54 et une deuxième zone 56 et détecte dans ces zones 54, 56 via le rayonnement infrarouge 28 correspondant une courbe de température T(t) dans ces zones 54, 56, tel que représenté sur la figure 3. 5 Ceci permet de détecter de façon précise la température T en des points quelconques et/ou dans des zones quelconques de la chambre de combustion et de les analyser de façon correspondante. Dans l'ensemble, l'agencement de tête de cylindre 10 doté du canal optique 20 et de la caméra thermographique 26 permet de mettre à 10 disposition une mesure de température précise de la chambre de combustion 22 ou d'un élément 18 de l'agencement de tête de cylindre 10 d'un véhicule automobile. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications 15 restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1. Agencement de tête de cylindre (10) pour une machine à combustion interne, avec : - un carter (12) auquel est associée une pluralité d'éléments (18) ; et - un canal optique (20) réalisé dans le carter (12) et associé à au moins un des éléments (18) ; caractérisé en ce qu'une caméra thermographique (26) est associée au canal optique (20), ladite caméra étant réalisée pour détecter ou acquérir à travers le canal optique (20) le rayonnement infrarouge (28) d'au moins un élément (18), en vue de mettre à disposition une image thermographique (52) de l'au moins un élément (18). 2. Agencement de tête de cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal optique (20) est réalisé sous la forme d'un canal en ligne droite et comporte au niveau d'une extrémité axiale une 15 ouverture (24) associée à l'au moins un élément (18). 3. Agencement de tête de cylindre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un élément d'étanchéité (40) transparent est associé au canal optique (20), ledit élément étanchéifiant le canal optique (20) sur le plan gazeux par rapport à l'au moins un élément (18). 20 4. Agencement de tête de cylindre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une unité optique (38) est disposée dans le canal optique (20), ladite unité étant réalisée pour représenter le rayonnement infrarouge (28) sur la caméra thermographique (26). 25 5. Agencement de tête de cylindre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité optique (38) comporte un système de lentilles cylindriques. 6. Agencement de tête de cylindre selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'unité optique (38) comporte une pluralité de 30 lentilles en saphir. 7. Agencement de tête de cylindre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le canal optique (20) est réalisé sous la forme d'un tube (32) en ligne droite et comporte une surface d'enveloppe étanche aux gaz et aux liquides. 3035152 -11- 8. Agencement de tête de cylindre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le canal optique (20) comporte un agencement de refroidissement pour refroidir le canal optique (20). 9. Agencement de tête de cylindre selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la caméra thermographique (26) est reliée à une unité d'analyse électronique (30) réalisée pour déterminer une température d'au moins une zone (54, 56) de l'image thermographique (52). 10. Agencement de tête de cylindre selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la caméra thermographique (26) présente une fréquence de prise supérieure à 10 000 images par seconde. 11. Procédé de détection d'une température d'un élément (18) d'un agencement de tête de cylindre (12) d'une machine à combustion interne, le rayonnement infrarouge (28) d'au moins un élément (18) étant détecté ou acquis à travers un canal optique (20), le canal optique (20) étant réalisé dans un carter (12) de l'agencement de tête de cylindre (10) et une image thermographique (52) de l' au moins un élément (18) étant mise à disposition au moyen d'une caméra thermographique (26). 12. Machine à combustion interne pour un véhicule automobile, 20 avec un bloc-moteur (14) comportant au moins un cylindre (16) et un piston (18) et avec un agencement de tête de cylindre (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.