Brevet FR3034871A1 — publié le 20161014

PROCEDE DE CARACTERISATION D'UN CHAMP DE VITESSES D'UN ECOULEMENT D'AIR SUITE A LA DECHARGE D'UN SYSTEME DE SURALIMENTATION DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001] La présente invention porte sur un procédé de caractérisation d'un champ de 5 vitesses d'un écoulement d'air suite à la décharge d'un système de suralimentation d'un moteur à combustion interne. [0002] De façon connue en soi, une ligne d'admission d'air 1 d'un moteur 2 suralimenté, comme cela est illustré à la figure 1, comporte un filtre à air 3 muni d'un carter, un compresseur 4 de turbocompresseur, et une vanne de dosage de l'air 5 disposés sur une 10 branche principale 6. La ligne d'admission 1 comporte en outre un conduit de décharge 7 qui est situé en dérivation de la branche principale 6 entre un point aval et un point amont du compresseur 4. A cet effet, une extrémité du conduit de décharge 7 est reliée à la branche principale 6 au travers d'un piquage 8 réalisé dans le carter du filtre à air 3. La ligne d'admission 1 comporte également une valve de décharge 9 apte à interdire ou 15 permettre une circulation d'un fluide à l'intérieur du conduit de décharge 7. [0003] Dans le cas où le moteur 2 est suralimenté, et lors d'une phase de décélération du véhicule automobile, un volet papillon 5, que comporte la ligne d'admission 1, est placé en position fermée, c'est-à-dire dans une position diminuant un passage d'air à l'intérieur de la ligne d'admission 1. 20 [0004] Le compresseur 4, qui possède une inertie propre, continue néanmoins de comprimer l'air d'admission. Il en découle une surpression temporaire qui est susceptible d'entraîner un phénomène d'inversion du flux appelé "pompage" à l'intérieur du compresseur 4 du turbocompresseur. Il en résulte éventuellement une détérioration du compresseur 4. 25 [0005] Le conduit de décharge 7 met en communication la ligne d'admission 1 en aval et en amont du compresseur 4, selon un sens de circulation d'air à l'intérieur de la ligne d'admission. Lors de la phase de décélération, une telle mise en communication, modulée par la valve de décharge 9, permet de minimiser le phénomène de pompage. 3034871 2 [0006] Toutefois, lors de l'ouverture de la valve 9, des nuisances sonores, éventuellement amplifiées par le filtre à air 3, sont susceptibles d'être entendues par un utilisateur du véhicule automobile, ce qu'il est souhaitable d'éviter. La réduction du bruit de décharge est obtenue au travers d'un silencieux, intégré dans le filtre à air 3, utilisant un volume d'air confiné pour étouffer l'amplitude des fluctuations de pression. Il existe donc le besoin de mesurer le champ des vitesses d'écoulement d'air pour différents types de silencieux, suite à la décharge du système de suralimentation, afin d'établir des profils de vitesses pour chacun d'entre eux et permettre de sélectionner le silencieux ayant des paramètres optimaux en terme de réduction du bruit de décharge. [0007] La méthode la plus répandue pour mesurer la vitesse d'un écoulement d'air consiste à utiliser un tube de Pitot appelé aussi anémomètre. Cette méthode simple et économique ne peut toutefois pas être mise en oeuvre avec des filtres à air ne respectant pas un rapport imposé entre le diamètre du tube de Pitot et un diamètre d'un orifice du silencieux par lequel passe le flux d'air généré par le phénomène de décharge. [0008] L'invention vise à remédier à cet inconvénient, en proposant un procédé de caractérisation d'un champ de vitesses d'un écoulement d'air à l'intérieur d'un filtre à air muni d'un silencieux, ledit filtre à air étant intégré dans une ligne d'admission d'un moteur à combustion interne équipé d'un système de suralimentation, caractérisé en ce que ledit procédé comprend: - une étape de simulation d'une décharge à l'intérieur dudit filtre à air, - une étape de mesure de niveau ultrasonore d'un écoulement d'air généré par ladite décharge, et - une étape de transformation des mesures des niveaux ultrasonores en une cartographie du champ de vitesses d'écoulement d'air. [0009] L'invention permet ainsi de mesurer le champ de vitesses de l'écoulement d'air généré lors d'un phénomène de décharge pour tout type de silencieux, car sa mise en oeuvre peut être effectuée quelle que soit la configuration géométrique du silencieux. [0010] Selon une mise en oeuvre, ledit silencieux est muni de plaque comportant chacune une pluralité d'orifices entourant un bloc de mousse et en ce que ladite étape de 30 mesure de niveau ultrasonore est réalisée pour des écoulements produits par lesdits orifices desdites plaques. 3034871 3 [0011] Selon une mise en oeuvre, ladite étape de mesure de niveau ultrasonore est réalisée au moyen d'un capteur ultrasonore muni d'un cône de précision relié à un détecteur ultrasonore en plaquant ledit cône de précision sur les orifices des plaques du silencieux pendant une décharge du système de suralimentation. 5 [0012] Selon une mise en oeuvre, pendant la réalisation d'une mesure de niveau ultrasonore sur un orifice dudit silencieux, les autres orifices ne sont pas masqués. Cela permet de ne pas modifier un comportement global du silencieux et notamment sa perte de charge. [0013] Selon une mise en oeuvre, ladite étape de transformation est réalisée en 10 appliquant un facteur de conversion aux mesures des niveaux ultrasonores obtenues lors de l'étape de mesure. [0014] Selon une mise en oeuvre, ledit facteur de conversion est déterminé au cours d'une étape de calibrage comprenant : - une étape de mesure de vitesse moyenne d'un écoulement au moyen d'un tube de Pitot, 15 - une étape de mesure de niveau ultrasonore dudit écoulement d'air, - une étape d'établissement d'une droite de corrélation entre la vitesse moyenne d'un écoulement d'air et d'un niveau ultrasonore dudit écoulement d'air, et - une étape de calcul d'un coefficient directeur de la droite de corrélation correspondant audit facteur de conversion. 20 [0015] Selon une mise en oeuvre, ledit écoulement d'air est généré par une source d'air comprimé contrôlée à débit et à pression variables. [0016] Selon une mise en oeuvre, la cartographie du champ des vitesses d'écoulement dudit filtre à air est représentée en fonction des lignes et colonnes définissant une position des orifices dans les plaques. 25 [0017] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé est mis en oeuvre sur un banc d'essai comportant une partie d'une ligne d'admission munie du filtre à air. [0018] Selon une mise en oeuvre, ladite étape de simulation d'une décharge à l'intérieur du filtre à air est réalisée au moyen d'une source d'air comprimé intégrée au banc d'essai. 3034871 4 [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0020] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'une ligne 5 d'admission d'air de moteur; [0021] La figure 2 est une représentation schématique d'un banc d'essai utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; [0022] La figure 3a représente un filtre à air muni d'un silencieux dépourvu de bloc de mousse pour lequel un champ de vitesses de l'écoulement d'air est déterminé par la mise 10 en oeuvre du procédé selon l'invention; [0023] La figure 3b représente les cartographies des niveaux ultrasonores mesurés lors d'une décharge correspondant respectivement à la plaque horizontale (à gauche) et à la plaque verticale (à droite) pour le silencieux de la figure 3a; [0024] La figure 4a montre un filtre à air muni d'un silencieux muni d'un bloc de mousse 15 pour lequel un champ de vitesses de l'écoulement d'air est déterminé par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention;; [0025] La figure 4b représente les cartographies des niveaux ultrasonores mesurés lors d'une décharge correspondant respectivement à la plaque horizontale (à gauche) et à la plaque verticale (à droite) pour le silencieux de la figure 4a; 20 [0026] La figure 5 est une représentation schématique d'un détecteur ultrasonore utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention; [0027] La figure 6 est une représentation d'un cône de précision utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention; [0028] La figure 7 représente un diagramme des étapes du procédé de détermination 25 d'un champ de vitesses d'écoulement selon la présente invention; [0029] La figure 2 montre un banc d'essai 11 utilisé pour simuler un bruit de décharge d'un système de suralimentation de moteur thermique. Ce banc d'essai 11 comporte un dispositif de production d'air comprimé 12 en relation avec une partie d'une ligne 3034871 5 d'admission 13 comportant un filtre à air 14 muni d'un dispositif de réduction du bruit de décharge 15, dit aussi silencieux, dont les performances sont à évaluer. [0030] Plus précisément, le dispositif de production d'air comprimé 12 comporte un réservoir 31 de grande capacité, par exemple de l'ordre de 100 Litres, connecté d'une part 5 au réseau d'air 32 par l'intermédiaire d'une vanne 33 de type quart de tour, et d'autre part à un deuxième réservoir 19 dont l'air contenu est destiné à être déchargé dans le filtre à air 14. Le réservoir 19 contient de l'air dont le volume et la pression de départ correspondent à un volume et à une surpression susceptibles d'apparaître en aval d'un compresseur lors d'une fermeture d'une vanne de dosage pour des conditions de 10 fonctionnement du moteur données. Le volume et la pression d'air contenu dans le réservoir 19 pourront être adaptés respectivement via l'actionnement d'une vanne 34 de type quart de tour et d'un dispositif de réglage de pression 35. En outre, un filtre 36 est de préférence intercalé entre la vanne 34 et le réservoir 31. 15 [0031] Par ailleurs, la partie de la ligne d'admission 13 comporte un tube de décharge 17 assurant une communication entre une sortie d'une vanne de décharge 18 et le filtre à air 14, via un piquage réalisé dans le carter du filtre à air 14 débouchant au niveau du silencieux 15 à tester. Cette vanne de décharge 18 est apte à s'ouvrir pour libérer l'air comprimé contenu dans le réservoir 19 de manière à simuler un phénomène de décharge. 20 La vanne de décharge 18 est de préférence à commande électrique. [0032] Le filtre à air 14 comporte un compartiment situé en amont d'un média filtrant ayant un col d'entrée d'air 37 communicant avec une bouche d'aspiration et un compartiment situé en aval du média filtrant communicant avec une entrée du compresseur. 25 [0033] Comme cela est bien visible sur les figures 3a et 4a, le silencieux 15 comprend une première plaque 21, dite plaque horizontale, et une deuxième plaque 22, dite plaque verticale sensiblement perpendiculaire à la plaque horizontale 21. Les plaques horizontale 21 et verticale 22 comportent chacune une pluralité d'ouvertures traversantes 23. Les ouvertures 23, aussi appelées orifices, sont configurées pour diviser le jet primaire d'air issu du conduit de décharge 17 en jets multiples de manière à réduire l'intensité turbulente par interaction des jets entre eux. 3034871 6 [0034] Les orifices 23 sont définis dans la suite du document par rapport à leur position dans une matrice d'orifices réalisés dans la plaque correspondante 21, 22 à k lignes L et m colonnes C. L'orifice Li;Cj est ainsi positionné à l'intersection entre la i-ème ligne (avec i compris entre 1 et k) et la j-ième colonne (avec j compris entre 1 et m). L'orifice de 5 référence Li ;Ci pourra par exemple être positionné dans le coin supérieur droit comme représenté, mais pourra en variante être positionné à tout autre endroit de la matrice d'orifices. En l'occurrence, la plaque horizontale 21 comprend k = 7 lignes et m = 9 colonnes ; tandis que la plaque verticale 22 comprend k = 7 lignes et m = 6 colonnes. Bien entendu, le nombre de lignes k et de colonnes m pourra varier pour chaque plaque en 10 fonction de l'application. [0035] En outre, un bloc de mousse poreuse 24 est placé à l'intérieur d'une cavité du filtre 14. Le bloc de mousse 24 traversé par l'air issu du conduit de décharge 17 est au contact des plaques trouées 21, 22 de manière à réduire par absorption l'énergie acoustique de l'air comprimé issu du conduit de décharge 17. 15 [0036] Dans le cas présent, chaque orifice 23 des plaques 21, 22 du silencieux 15 produit un écoulement d'air au moment de la décharge qui s'apparente à un jet libre. Comme les dimensions caractéristiques de chaque orifice 23 sont faibles par rapport à l'écoulement global, c'est-à-dire l'écoulement produit par l'ensemble des orifices 23 à la surface des plaques 21, 22 du silencieux 15 suite à la décharge, chaque orifice est le 20 siège d'une émission ultrasonore à l'identique d'une fuite. De cette façon, en isolant correctement un orifice donné d'un point de vue acoustique par rapport aux autres orifices 23 du silencieux 15, le niveau ultrasonore mesuré est proportionnel au débit moyen de l'écoulement issu de l'orifice et donc à sa vitesse moyenne. [0037] On décrit ci-après en référence avec la figure 7, la mise en oeuvre du procédé 25 selon l'invention basé sur ce principe de proportionnalité entre les niveaux ultrasonores et les vitesses d'écoulement. Pour établir la relation entre le niveau ultrasonore et la vitesse de l'écoulement, on réalise une opération de calibrage dans une étape 100. A cet effet, un tube de Pitot est placé dans un axe de sortie d'un écoulement d'air dont le diamètre de sortie correspond au diamètre d'un capteur ultrasonore 26. La vitesse moyenne de 30 l'écoulement d'air est mesurée pour différentes valeurs de débit et de pression. La manipulation est renouvelée en remplaçant le tube de Pitot par le capteur ultrasonore 26 relié à un détecteur ultrasonore 25 ce qui permet de mesurer le niveau ultrasonore 3034871 7 maximum en dB/V (Décibel par Volt) de cet écoulement pour différentes valeurs de débit et de pression. [0038] Plus précisément, le capteur ultrasonore 26 est plaqué contre les plaques 21, 22 du silencieux 15 de façon à ne produire aucune fuite au moment de la décharge. Le 5 capteur ultrasonore 26 et la plaque trouée 21, 22 sont orientés de préférence perpendiculairement l'un par rapport à l'autre afin de garantir à l'écoulement une condition de jet libre. [0039] Le détecteur ultrasonore 25 représenté en figure 5, est associé à un casque d'écoute 27 permettant de vérifier l'apparition d'un grésillement caractéristique de 10 l'émission ultrasonore d'un écoulement. Cela permet ainsi de positionner précisément le capteur 26 dans l'axe d'écoulement. Dans un exemple de réalisation, le capteur ultrasonore 26 est monté sur une canne flexible 28 d'environ 200mm pour une exploration fine sur chacun des orifices de mesure. Le capteur 26 possède de préférence une fréquence de résonance aux environs de 40000 Hz et une largeur de bande passante de 15 plus ou moins 2 000Hz. Au-delà le signal ultrasonore chute de 6dB/octave. Le capteur 26 est non nécessairement étanche (capteur ouvert), et est circulaire de diamètre 20mm. L'angle couvert par le capteur 26 correspond à un faisceau ultrasonore de 55 degrés, au-delà le signal chute de 6dB. La sensibilité du capteur 26 vaut -65dB/V/pbar à 40kHz. [0040] Le détecteur ultrasonore 25 dispose en outre d'une carte électronique utilisant, de 20 préférence la technologie hétérodyne qui permet de soustraire au signal entrant la fréquence de résonance du capteur ultrasonore 26. Ainsi, le signal reçu est compris dans la bande passante du capteur. Cela permet de réduire le contenu fréquentiel de l'émission ultrasonore produit par un écoulement garantissant une estimation fiable des caractéristiques moyennes dont la vitesse fait partie. De plus, comme cette manipulation 25 permet de transformer une information ultrasonore en information sonore dans une bande de fréquence correspondant au maximum de sensibilité de l'oreille humaine (2000 à 4000Hz), il est aisé de vérifier à l'écoute l'apparition d'un grésillement (bruit blanc large bande) caractéristique de l'émission ultrasonore d'un écoulement. [0041] Suite aux différentes mesures réalisées à l'aide du tube de Pitot et du capteur 30 ultrasonore 26, une droite de corrélation est tracée entre la vitesse moyenne (en m/s) et le niveau ultrasonore (en dB/V). Le coefficient directeur de la droite de corrélation obtenue permet de déduire un facteur de conversion entre le niveau ultrasonore et la vitesse d'écoulement d'air. 3034871 8 [0042] On réalise ensuite une étape 101 de simulation d'une décharge à l'intérieur du filtre à air 14 équipé d'un silencieux 15 dont le champ de vitesses est à caractériser. A cet effet, un silencieux 15 muni de ses plaques 21,22 calibrées et percées est installé dans le filtre à air 14. L'interrupteur qui commande la vanne de décharge 18 reste en position 5 ouverte, ce qui permet d'alimenter l'ensemble du circuit par un flux d'air continu. [0043] Une première acquisition de mesure du niveau ultrasonore est effectuée pour une configuration du silencieux 15 sans bloc de mousse 24 (figure 3a), correspondant à une configuration témoin. Le niveau ultrasonore de l'écoulement d'air correspondant à chaque orifice 23 des plaques 21, 22 est mesuré comme précédemment indiqué. Pour éviter de 10 perturber la mesure de niveau ultrasonore de l'écoulement issu d'un orifice 23 voisin du silencieux 15, le capteur ultrasonore 26 est muni d'un cône de précision 29 montré sur la figure 6. Le cône de précision 29, de préférence en caoutchouc, a un diamètre côté orifice 30 légèrement supérieur à celui de l'orifice 23 duquel l'écoulement est mesuré. Pendant la mesure sur un orifice du silencieux, les autres ne sont pas masqués pour ne pas modifier 15 le comportement global du silencieux et notamment sa perte de charge. La valeur retenue pour le niveau ultrasonore est la valeur maximum relevée pendant la durée de la décharge du système de suralimentation. [0044] On obtient alors des cartographies des niveaux ultrasonores des écoulements (figures 3b) pour la plaque horizontale 21 (à gauche), et pour la plaque verticale 22 (à 20 droite) représentées en fonction des positions des orifices sur les plaques 21,22. [0045] Suivant l'étape 103, afin d'obtenir la cartographie des vitesses d'écoulement d'air produits par les orifices 23 des plaques 21, 22 du silencieux lors de la décharge, le facteur de conversion est appliqué aux niveaux ultrasonores mesurés lors de l'étape 102. En l'occurrence la conversion du niveau ultrasonore en vitesse d'écoulement est effectuée en 25 appliquant le facteur de conversion pour chaque orifice 23 du silencieux 15. [0046] On réalise ensuite une seconde acquisition de mesure de niveau ultrasonore pour une configuration de silencieux 15 muni d'un bloc de mousse 24 (figure 4a). On réitère alors l'étape 102 de mesure du niveau ultrasonore. On obtient alors les cartographies des niveaux ultrasonores représentées sur la figure 4b pour la plaque horizontale 21 (à 30 gauche), et pour la plaque verticale 22 (à droite). La mise en oeuvre ultérieure de l'étape 103 permet d'obtenir les cartographies correspondantes du champ des vitesses d'écoulement d'air produit par les orifices 23. 3034871 9 [0047] On note que la baisse du niveau ultrasonore pour la configuration du silencieux 15 muni d'un bloc de mousse est conséquente. En effet, les niveaux les plus forts de la configuration avec mousse correspondent aux niveaux les plus faibles de la configuration sans mousse. En outre, sur la plaque verticale 22 ainsi que sur la plaque horizontale 21, 5 les champs des vitesses moyennes ne possèdent pas la même allure entre les deux configurations d'essai. Dans le cas avec mousse, la vitesse est maximum à l'entrée de l'écoulement dans la cavité (C1-C2/L3-L4) et décroît ensuite longitudinalement et radialement. Sans mousse, la vitesse moyenne reste maximum à l'entrée dans la cavité mais présente ensuite des maxima locaux qui ne peuvent pas avoir d'autres explications 10 qu'un couplage aérodynamique entre l'écoulement cisaillé et les dimensions de la cavité (C9-C8/L5-L6 ou C6-05/L3-L4). On met ainsi en évidence que le bloc de mousse freine fortement l'écoulement, du fait de la résistivité à l'écoulement de ce matériau. REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation d'un champ de vitesses d'un écoulement d'air à l'intérieur d'un filtre à air (14) muni d'un silencieux (15), ledit filtre à air (14) étant intégré dans une ligne d'admission (13) d'un moteur à combustion interne équipé d'un système de suralimentation, caractérisé en ce que ledit procédé comprend: une étape (101) de simulation d'une décharge à l'intérieur dudit filtre à air (14), une étape (102) de mesure de niveau ultrasonore d'un écoulement d'air généré par ladite décharge, et - une étape (103) de transformation des mesures des niveaux ultrasonores en une cartographie du champ de vitesses d'écoulement d'air. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit silencieux (15) est muni de plaques (21, 22) comportant chacune une pluralité d'orifices (23) entourant un bloc de mousse (24) et en ce que ladite étape de mesure de niveau ultrasonore est réalisée pour des écoulements produits par lesdits orifices (23) desdites plaques (21, 22). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de mesure de niveau ultrasonore est réalisée au moyen d'un capteur ultrasonore (26) muni d'un cône de précision (29) relié à un détecteur ultrasonore (25) en plaquant ledit cône de précision (29) sur les orifices (23) des plaques (21, 22) du silencieux (15) pendant une décharge du système de suralimentation. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, pendant la réalisation d'une mesure de niveau ultrasonore sur un orifice (23) dudit silencieux (15), les autres orifices (23) ne sont pas masqués. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, ladite étape de transformation (103) est réalisée en appliquant un facteur de conversion aux mesures des niveaux ultrasonores obtenues lors de l'étape de mesure (102). 3034871 11 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit facteur de conversion est déterminé au cours d'une étape de calibrage (100) comprenant : - une étape de mesure de vitesse moyenne d'un écoulement au moyen d'un tube de Pitot, 5 une étape de mesure de niveau ultrasonore dudit écoulement d'air, une étape d'établissement d'une droite de corrélation entre la vitesse moyenne d'un écoulement d'air et d'un niveau ultrasonore dudit écoulement d'air, et - une étape de calcul d'un coefficient directeur de la droite de corrélation correspondant audit facteur de conversion. 10 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit écoulement d'air est généré par une source d'air comprimé contrôlée à débit et à pression variables. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la cartographie du champ des vitesses d'écoulement dudit filtre à air (14) est représentée en fonction des lignes et colonnes définissant une position 15 des orifices (23) dans les plaques (21,22). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit procédé est mis en oeuvre sur un banc d'essai (11) comportant une partie d'une ligne d'admission (13) munie du filtre à air (14). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape (101) de 20 simulation d'une décharge à l'intérieur du filtre à air (14) est réalisée au moyen d'une source d'air comprimé intégrée au banc d'essai (11).