EP2482990A1 - Dispositif et procede de projection electrostatique d'un liquide, injecteur de carburant incorporant ce dispositif et utilisations de ce dernier - Google Patents

Dispositif et procede de projection electrostatique d'un liquide, injecteur de carburant incorporant ce dispositif et utilisations de ce dernier

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EP2482990A1
EP2482990A1 EP10765678A EP10765678A EP2482990A1 EP 2482990 A1 EP2482990 A1 EP 2482990A1 EP 10765678 A EP10765678 A EP 10765678A EP 10765678 A EP10765678 A EP 10765678A EP 2482990 A1 EP2482990 A1 EP 2482990A1
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liquid
electrode
channel
fuel
spraying
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Christophe Laurent Louste
Hubert Romat
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Universite de Poitiers
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
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    • F02M57/06—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sparking plugs

Definitions

  • the present invention relates to a device and a projection method, in particular in the form of a sheet of a liquid that can be electrically insulating at least by electrostatic forces, the device being designed to spray this liquid or to control oscillations by generating therein beats.
  • the invention also relates to a fuel injector for a combustion chamber of a combustion engine incorporating this device, for both land and air or space vehicles, as well as other uses of this device, for example in the fields of pumps.
  • electro-hydrodynamic for heat exchangers, cooling of embedded systems by spraying heat transfer liquids, spraying cutting oils or cleaning surfaces without limitation.
  • Spraying a fuel is an essential step for all engines, as the pollution rate and efficiency of a combustion engine are closely related to the quality of the fuel spray.
  • the spraying is obtained by disintegrating a sheet of fuel.
  • a shear air jet blown at high speed typically 200 m / s
  • the combustion chamber which impacts the fuel ply and sprays it.
  • This counter-electrode is provided upstream of a terminal axial pipe of this nozzle of length L and diameter D (with L / D ranging from 2 to 10) by which the electrified fuel flows before being sprayed out of the nozzle through the outlet of this pipe.
  • Document WO-A1 -2008 / 052830 discloses a nozzle for spraying an electrically conductive fuel incorporating a crown-shaped radial planar electrode which is housed between two electrically insulating radial layers and whose inner edge is pointed upstream of the fuel projection port out of the nozzle.
  • This conductive fuel is previously rotated upstream of this electrode and along an axis of rotation perpendicular thereto and then comes into contact with this pointed electrode edge before being projected out of the nozzle.
  • EP-B1-1 139 021 discloses a spray nozzle terminating in two axial metal electrodes which are intended to be in contact with the fuel and which alone define the edge of the fuel spray orifice out of the nozzle.
  • a major disadvantage of this latter electrode sputtering device which are both non-electrically insulated is the relatively small value of the intensity of the electrostatic field generated by these electrodes, which affects the quality of the atomization obtained.
  • An object of the present invention is to provide a projection device in particular in the form of a sheet of a liquid that can be electrically insulating at least by electrostatic forces that overcomes all of the aforementioned drawbacks, this device being designed to spray this liquid or to control the oscillation beat and comprising a nozzle which forms a channel for supplying the liquid to at least one projection orifice of the latter out of the device and which incorporates in the vicinity of this orifice a first and a second electrode arranged to inject electric charges into the liquid.
  • a liquid projection device is such that the edge of this orifice comprises, on one side of the channel, at least one projecting end of the first electrode which projects into this channel and which is intended to be in contact with the liquid and, on the other side of the channel, an electrically insulating nozzle body in which the second electrode is embedded adjacent the first electrode, so that the intensity of the electrostatic field in said or each projecting end is maximized.
  • a device according to the invention thus defined not only optimally sprays in the form of a sheet a liquid which may initially be electrically unloaded, such as a diesel fuel (it being specified that by “electrically insulation "is meant for this liquid a resistivity equal to or greater than 10 8 Qm), but also to control the variation of the oscillation amplitude of the projected web in the unsprayed state.
  • a liquid which may initially be electrically unloaded, such as a diesel fuel (it being specified that by “electrically insulation "is meant for this liquid a resistivity equal to or greater than 10 8 Qm), but also to control the variation of the oscillation amplitude of the projected web in the unsprayed state.
  • sheet is meant in the present description a thin film whose thickness can typically vary from 200 ⁇ to 500 m and which defines a surface that can be flat or three-dimensional, being advantageously in the latter case with symmetry of revolution and delimiting an internal space, as opposed to a three-dimensional jet of liquid which by definition is full and therefore does not define an internal space.
  • the device according to the invention which can be based solely on the use of the Coulomb force, is able to inject electric charges into the fuel simultaneously with its projection out of the device to obtain a local electrostatic field. of extremely high intensity, thanks to the specific arrangement of the two electrodes, one of which forms the outlet end of the nozzle via its projecting end (ie pointed or sharp at a small radius of curvature) and the other of which is electrically insulated being immediately adjacent to this output end and, therefore, to the other protruding electrode.
  • said channel is delimited by first and second electrically insulating nozzle bodies which are mounted facing each other and which respectively incorporate said first and second electrodes into profiled zones of these bodies leading to said projection orifice, the first electrode extending on a first inner wall to said channel defining the profiled zone of the first body and ending beyond this wall by said or each end projecting into the channel, and the second electrode being adjacent to a second outer wall of the channel defining the profiled zone of the second body.
  • said or each projecting end may have a main radius of curvature between 5 ⁇ and 15 m and is preferably in the form of a peak, said projection orifice having a smaller transverse dimension of between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • this small radius of curvature combined with the isolation of the second electrode makes it possible to obtain a very large local electrostatic field, with an intensity that may be greater than 1 MV / cm at the said or each projecting end when one applies an alternating voltage (of amplitude preferably equal to several kV and for example at least equal to ⁇ 20 kV) between the first and second electrodes.
  • said first electrode may be generally rectilinear in longitudinal section
  • said second electrode may have a convex outer surface which is preferably elliptical or circular in longitudinal section, this convex or rounded shape making it possible to minimize the intensity of the electrostatic field at this surface.
  • the device of the invention is such that said first nozzle body has a relative permittivity ⁇ ⁇ preferably less than or equal to 10 (even more preferential less than or equal to
  • this second electrode has a relative permittivity ⁇ ⁇ equal to or greater than 2 (preferably equal to or greater than 5) so as to further maximize the intensity of the electrostatic field in the vicinity of said first electrode.
  • this second electrode is thus placed inside an insulating material of high permittivity to transmit the electric field but especially of high dielectric strength to not slam (His ceramics meet this double constraint and are therefore usable to form the second nozzle body). This second electrode is thus fully protected by this insulating material and is designed to never be in contact with the fuel or with the air.
  • this device according to the invention can furthermore be provided with means for bringing at least one gas stream, such as an air jet, downstream of said projection orifice so as to optimize further this spray.
  • at least one gas stream such as an air jet
  • said channel has a substantially rectangular cross-section so as to project the liquid in the form of a plane sheet, said first electrode generally having a flat blade shape and said second electrode having a geometry in the form of a plane. bar, each electrode being independently continuous or discontinuous (for example in the manner of a comb) seen in cross section.
  • said channel has a generally annular cross-section (eg elliptical or circular) so as to project the liquid in the form of a symmetrical sheet of revolution, said first electrode having a substantially conical shape diverging towards said or each protruding end and said second electrode having a substantially toroidal shape concentrically surrounding the first electrode, each electrode being independently continuous or discontinuous seen in cross section.
  • a generally annular cross-section eg elliptical or circular
  • said first nozzle body is located radially inside said second nozzle body which concentrically surrounds it so that said first and second walls are respectively divergent and convergent in shape. direction of said channel, and said means for supplying gas streams are located radially inside said first body and radially outside said second body.
  • the device according to this second embodiment of the invention does not require modifying the geometry of the current injectors, the electrostatic action can be used alone or be superimposed on the usual mechanical action of the jet of air on the sheet to increase efficiency and safety.
  • this current injector it suffices to provide said electrodes with this current injector with two concentric inner and outer nozzle bodies providing such radially inner and outer air flows and with respectively divergent and convergent end walls, the structure of these two nozzle that can be unchanged elsewhere.
  • the device of the second mode according to the invention makes it possible to considerably simplify the current injection systems on the aircraft by eliminating injectors dedicated to low operating speeds, since this device of the invention is able to ensure this spraying. at low speed by the electrostatic force according to the invention supplemented by air inlets due to a shearing wind for example at 30 m / s.
  • This device of the invention is thus of simple structure (only two electrodes are to be expected), inexpensive (conventional manufacturing techniques with air jets being usable), is able to operate at all regimes including oneself, consumes a very low electric power (a few watts only) and is extremely robust and therefore little wear due to the fact that it is devoid of any moving parts unlike some known devices implementing a rotation of the fuel.
  • an injector according to the invention for example an electrically insulating fuel for a combustion chamber of a land, air or space vehicle thermal engine, in particular for an airplane turbojet, comprises a device capable of spraying this fuel in the form of web as defined above and, preferably, according to this second preferred embodiment of the invention with said gaseous flows which are located radially inside said first body and radially outside said second body.
  • this injector is characterized in particular by the position of the two electrodes which are located as close as possible to the outlet of the injector (ie from the injection lip of the nozzle), it being specified that preferably this injector lip is constituted in part by the first electrode injecting the charges into the fuel reaching it, with the creation of the aforementioned intense electrostatic forces which destabilize the fuel film to spray it in the form of a web.
  • electrostatic spraying means included in an injector according to the invention can be used alone for spraying the fuel, ie without mechanical blowing means, but that the combination of these two means makes it possible to increase the performance and the reliability. of the aircraft especially in case of failure of one of these two electrostatic and mechanical means, the other taking over.
  • an injector according to the invention has a small footprint, because the space required for the installation of these electrostatic means (ie essentially the two electrodes, the high voltage source and an electronic control device ) is reduced, and represents an ecological gain since the optimization of the spraying is accompanied by a better combustion, thus a lower consumption and consequently a decrease in the pollution generated.
  • a device as defined above may consist, without limitation, in spraying a liquid selected from the group consisting of heat transfer liquids, cutting oils for machine tools and cleaning fluids for soiled surfaces, or for producing an electro-hydrodynamic pump for a heat exchanger without a rotating part, for example intended to equip an aerial or space vehicle with a heat engine.
  • a method for projecting at least electrostatic forces and in particular in the form of a sheet electrically insulating liquid, such as a fuel, by spraying or controlling the beat oscillations is to use a device 5 as defined above by applying between said first and second electrodes an alternating voltage signal whose amplitude is preferably several kV and is for example at least equal to + 20 kV, for obtaining a local electrostatic field at said or each projecting end in contact with the liquid of intensity greater than 1 MV / cm and up to 10 MV / cm, electric charges being thus directly injected into the liquid leaving the device at this end.
  • the Applicant has discovered that a use of particular electrical signals allows a fine and fast modulation of the electric action according to the needs of the fuel injector and according to whether we are looking for an o spraying the fuel or controlling the beat of the fuel when it is not sprayed.
  • the modulation of the electrical signal makes it possible to obtain an immediate or progressive variation of the behavior of the injector by these electrostatic means, this modulation making it possible to continuously adapt the operation of the injector during the changes of regime, thanks to an electronic control device used in connection with the injector.
  • this liquid it is advantageous to use a frequency of this signal at least equal to 1 kHz, this signal preferably being square with, for example, a frequency equal to or greater than 2 kHz and a rise time of about 400 ⁇ . / ⁇ . It should be noted, however, that all other existing forms of alternative signals are usable for obtain this spray, such as sinusoidal, triangular or even pulses.
  • this liquid without spraying it, it is advantageous to use a frequency of this signal between 5 Hz and 100 Hz, this signal preferably being of the sinusoidal or triangular type and of frequency substantially equal to 50 Hz. note that this beat control is particularly useful in case of association of one or more air jets in addition to these electrostatic means.
  • the liquid is moved in said channel with a speed of between 0.5 m / s and 2 m / s, and a substantially flat or symmetric layer is obtained. of revolution for the projected liquid with a thickness of between 200 ⁇ and 500 ⁇ m, preferably by additionally bringing at least one gas stream, such as an air jet, downstream of said projection orifice and at a speed for example between 30 m / s and 200 m / s, to optimize the spraying of fuel projected by the device.
  • at least one gas stream such as an air jet
  • FIG. 1 is a partial schematic view in axial section of a device for projecting a lap according to the invention with symmetry of revolution for a fuel injector
  • FIG. 2 is a partial schematic view in longitudinal section along the plane II-II of FIG. 9, of a projection device according to the invention of a flat fuel ply corresponding to a simplified variant of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic enlarged view of the projection end of the device of FIG. example of shape and arrangement of the two electrodes equipping this device,
  • FIG. 4 is a bottom view of the first nozzle body of the projection device of FIG. 2 (without the first protruding end electrode extending this first body),
  • FIG. 5 is a side view of this first nozzle body of FIG. 2 shown devoid of its first electrode
  • FIG. 6 is a front view of this first nozzle body of FIG. 2 shown devoid of its first electrode
  • FIG. 7 is a view from below of the second nozzle body of the projection device of FIG. 2, showing the housing provided in this nozzle body for receiving the second electrically insulated electrode
  • FIG. 8 is a side view of this nozzle body.
  • second nozzle body of Figure 2
  • FIG. 9 is a front view of this second nozzle body of FIG. 2,
  • FIG. 10 is a juxtaposition of two photographs showing, in front views, two sheets obtained by the device of FIG. 2, the photograph on the left showing the unpowdered sheet obtained without the electrostatic means of the invention, and the one on the right the pulverized tablecloth according to the invention which is obtained by these means,
  • FIG. 11 is a juxtaposition of two other photographs showing, in profile, two sheets obtained by the device of FIG. 2, the photograph on the left showing the sheet
  • FIG. 12 is a juxtaposition of two rows of four photographs each showing in front view, for four different speeds o of webs, the latter in the unpowdered state at the top row (ie without the electrostatic means) and at the pulverized state at the bottom row (ie with these means, via a square electrical signal of frequency 2kHz and ⁇ 30 kV amplitude),
  • FIG. 13 is a juxtaposition of two rows of four photographs each showing the webs of FIG. 12 in profile view (ie for the same web speeds, in the unsprayed state at the top row and in the state pulverized at the bottom row via this same electrical signal)
  • Figure 14 is a juxtaposition of six rows of two photographs each showing in front view (for the photographs on the left) and in profile view (for those on the right) l the influence on the sputtering of the sheet of the frequency of the square electrical signal of amplitude ⁇ 30 kV used in relation to these means, the speed of the sheet being 1 m / s,
  • FIG. 15 is a juxtaposition of four rows of two photographs each (with the exception of the second row) showing in front view (for the photographs on the left) and in profile view (for those on the right) the influence, on the sputtering of the sheet, the amplitude of the square 1 kHz frequency electric signal used in connection with these means,
  • FIG. 16 is a juxtaposition of four rows of two photographs each (except for the first row) showing the influence, on the beat of the web, of the signal shape (sinusoidal for the left and triangular photographs for those on the right) and the frequency of this amplitude signal ⁇ 30 kV used in relation to these means, the speed of the sheet being 1 m / s, and
  • FIG. 17 is a juxtaposition of two rows of three photographs each showing the influence, on the beat of the web, of the signal shape (sinusoidal for the upper and triangular row for the lower row) and the frequency of this signal. (with three frequencies for each row) amplitude ⁇ 30 kV used in connection with these means, the speed of the web being 1 m / s.
  • the device 1 of liquid projection 2 illustrated in Figure 1 shows a preferred embodiment of a nozzle for fuel injector according to the invention. As will be explained hereinafter, the nozzle 1 may be used optionally to spray the fuel 2 or to control the beat of its oscillation, and it essentially comprises:
  • a first electrode 7 for example metallic
  • the relative positioning of the two nozzle bodies 3 and 8 defines a narrow channel 14 for supplying the fuel 2 to be sprayed with an annular section, with a spacing E between these two bodies 3 and 8, for example between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m, which determines and the thickness of the fuel ply 2 projected (with an output speed for example of the order of 1 m / s).
  • the first electrode 7 is designed to directly inject electric charges into the fuel 2 in which its tip 7a is immersed in operation, serving as an injector lip to the nozzle 1 because this electrode 7 is partially the edge 15 of the nozzle projection orifice 1.
  • This direct injection at the tip 7a is achieved through an electrostatic field of very high intensity (several MV / cm up to 10 MV / cm) that the this point 7a is generated by the high voltage HT applied between the two electrodes 7 and 12, thanks to the sufficiently small radius of curvature of this point 7a which is, for example, approximately 10 ⁇ m.
  • the material of the first body 3 constituting the insulating support of this first electrode 7 it is chosen of low permittivity ⁇ ⁇ to maximize the intensity of the electrostatic field in the vicinity of the tip 7a, this permittivity preferably being lower than that of the liquid 2 to project is less than 2.2 for a diesel fuel type "GASOIL", for example.
  • the second electrode 12 is entirely embedded in the second nozzle body 8 which electrically isolates it to prevent arcing between the two electrodes 7 and 12.
  • the electrode 12 has a geometry devoid of angles or edges (Advantageously convex or rounded, being generally torus-shaped in the example of Figure 1) which limits the electric field to its surface and the stresses on the insulating material which is in contact with the electrode 12.
  • This insulating material present a dielectric rigidity chosen the highest possible, and a permittivity also high ( ⁇ ⁇ > 5 preferably) to maximize the intensity of the electrostatic field in the vicinity of the first electrode 7.
  • the two air jets 5 and 10 above which are designed to blow on the inner and outer faces respectively of the sheet 2 emitted, their speed can vary from 30 m / s to 200 m / s by way of example.
  • the electrostatic injector 1 according to the invention of FIG. 1 differs only from an injector of the prior art by the addition and the specific arrangement of the two electrodes 7 and 12 in relation to the means 13 for generating and controlling the alternating electrical signal between these electrodes 7 and 12.
  • the general architecture of such a known injector has not been modified, the electrostatic effect advantageously superposing itself or not.
  • the aeromechanical effect which allows to have a mechanical action alone, electrostatic action alone or both of these actions simultaneously for spraying the fuel 2.
  • the fuel ply 2 thus charged undergoes the action of the electrostatic forces which generate either its spray or its controlled oscillation, according to the electrical signal applied between the electrodes 7 and 12, and that this sputtering or the control of this oscillation are optimized by the respective geometries of these electrodes 7 and 12 which are designed to maximize the electrostatic field on the first electrode 7 and thus the direct injection of the electric charges into the fuel 2.
  • the projection nozzle 101 visible in these FIGS. 2 to 9 comprises two first and second nozzle bodies 103 and 108 which are respectively provided with the first and second electrodes 107 and 112 and which essentially differ from those of FIG. 1 in that these body 103 and 108 each have the same geometry of rectangular cross section, instead of the annular cross section of those of Figure 1 (this rectangular shape is visible in Figures 4 and 6 for the first body 103 and Figures 7 and 9 for the second 108).
  • the upstream end of these two bodies 103 and 108 is in the example of Figure 2 surmounted by a cap 116 coming to close a plenum chamber 117 of fuel which has a rectangular longitudinal section and which is delimited by the respective inner faces two bodies 103 and 108, symmetrical to each other with respect to the central channel 114 of the fuel projection. More specifically, the chamber 117 and this channel 114 are centered on the longitudinal axis of symmetry X of the nozzle 101, and a central orifice 116a formed in the cap 116 allows the arrival of the fuel in the chamber 117, which narrows to right angle near the downstream end of the nozzle 101 by two shoulders 103a and 108a that have the internal faces of the bodies 103 and 108.
  • This channel 114 forms a terminal section of small width I (1 mm, see FIG. communicates upstream with the chamber 117 and ends at the profiled downstream end of the nozzle 101 formed by the respective oblique outer surfaces 103b and 108b of the two bodies 103 and 108.
  • the first electrode 107 (made of chromed steel) is in the form of a flat blade which extends over most of the oblique outer surface 103b of the first body 103 and which ends with a pointed end 107a projecting obliquely into the channel 114 , so that this protruding end 107a partially defines the edge 115 of the downstream projection orifice of the nozzle 101 (see FIG. 3) together with the acute terminal edge of the second body 108, the width e between this projecting end 107a and this facing edge being in this example 300 ⁇ m.
  • the second electrode 112 (also made of
  • Chromed steel it is embedded in this embodiment in an epoxy-type insulating resin 112a which fills a cavity opening on the oblique outer surface 108b of the second body 108 in the profiled zone of the latter and in the immediate vicinity of said fish bone.
  • FIGS. 2 and 3 show that this insulating resin 112a thus forms part of the oblique surface 108b and that it is in contact with the insulating material (eg PVC or "plexiglas") of the second body 108.
  • This second electrode 1 2 presents in this example an oblong and rounded longitudinal section which is substantially elliptical.
  • substantially flat projected plies were obtained with web speeds of between 0.5 m / s and 2 m / s, each ply having a rectangular cross-section of length approximately equal to 8 cm (in the transverse direction of FIGS. and 9) and of width approximately equal to 4 cm (in the longitudinal direction of these figures), with a sheet thickness o of about 300 Mm (corresponding to the aforementioned width e of the projection orifice).
  • FIGS. 11 to 17 show the plies obtained during tests carried out in the absence of air flow (ie only by the electrostatic means comprising these electrodes 107 and 112), by means of the projection device 101 according to these figures 2 to 9, the nozzle bodies 103 and 108 are made of "plexiglass" (with the exception of the aforementioned epoxy resin 112a).
  • FIG. 13 shows the spray obtained according to the invention at these sheet speeds via the same square electrical signal of 2 kHz and amplitude ⁇ 30 kV. It is seen in this lower row that the large drops (from 1 mm to 3 mm in diameter) which come for most of the edges of the sheet are visible in the center, and a multitude of small drops of very small diameter (less than 100 ⁇ ) are also visible on both sides of the central jet.
  • FIG. 14 shows the influence on the quality of the spray obtained (with a sheet speed of 1 m / s) of the frequency of a square electrical signal of amplitude ⁇ 30 kV, this frequency varying from 0 Hz to top row (ie in the absence of signal) at the maximum frequency of 2 kHz at the bottom row. It can be seen that the use of high frequencies (ie of at least 500 Hz) and preferably of between 1 and 2 kHz provides a satisfactory spraying of the sheet.
  • Figure 15 shows the influence on the quality of the sputtering obtained from the amplitude of the 1 kHz square electrical signal. We see that this amplitude must be in this example greater than ⁇ 20 kV to obtain a finely pulverized sheet.
  • FIG. 16 front views show the influence on the obtained web beat of the shape and frequency of the alternating signal, for the same signal amplitude equal to ⁇ 30 kV and for a given signal amplitude. fuel speed of 1 m / s.
  • FIG. 17 profile views complete these views of FIG. 16 for three of these frequencies (5 Hz, 10 Hz and 50 Hz) and make it possible to visualize the beat obtained for the sinusoidal signals (row upper) and triangular (lower row).
  • the projection devices according to the invention function satisfactorily with all types of conventional alternating signals (i.e. of square, sinusoidal, triangular and even pulse type). More specifically, the specific use of a low frequency (greater than 50 Hz) associated with a "soft" signal of the sinusoidal or triangular type makes it possible to obtain a beat of the sheet without spraying, whereas the use of high frequencies (up to 2 kHz) allows a fine spraying of the water table (excellent quality sprays have been obtained with a 2 kHz square wave). Nevertheless, it is possible to envisage spraying the sheets satisfactorily (i.e. with optimized secondary spraying) with a device according to the invention at alternating signal frequencies higher than 2 kHz.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de projection en particulier sous forme de nappe d'un liquide pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques, le dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler des oscillations en y générant des battements. L'invention concerne notamment un injecteur de carburant pour chambre de combustion d'un moteur thermique incorporant ce dispositif. Ce dispositif de projection (1 ) comprend une buse qui forme un canal d'amenée (14) du liquide vers au moins un orifice de projection (15) de ce dernier hors du dispositif et qui incorpore à proximité de cet orifice une première et une seconde électrodes (7 et 12) agencées pour injecter des charges électriques dans le liquide. Selon l'invention, le bord (15) de cet orifice comprend, d'un côté du canal, au moins une extrémité saillante (7a) de la première électrode (7) qui fait saillie dans ce canal et qui est destinée à être en contact avec le liquide et, d'un autre côté du canal, un corps de buse (8) électriquement isolant dans lequel est noyée la seconde électrode (12) de manière adjacente à la première électrode, de sorte que l'intensité du champ électrostatique en la ou chaque extrémité saillante soit maximisée.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE PROJECTION
ELECTROSTATIQUE D'UN LIQUIDE, INJECTEUR DE CARBURANT INCORPORANT CE DISPOSITIF ET UTILISATIONS DE CE DERNIER. La présente invention concerne un dispositif et un procédé de projection en particulier sous forme de nappe d'un liquide pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques, le dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler des oscillations en y générant des battements. L'invention concerne également un injecteur de carburant pour chambre de combustion d'un moteur thermique incorporant ce dispositif, tant pour les véhicules terrestres qu'aériens ou spatiaux, ainsi que d'autres utilisations de ce dispositif comme par exemple dans les domaines des pompes électro-hydrodynamiques pour échangeurs de chaleur, du refroidissement de systèmes embarqués par pulvérisation de liquides caloporteurs, de la pulvérisation d'huiles de coupe ou encore du nettoyage de surfaces, à titre non limitatif.
La pulvérisation d'un carburant est une étape essentielle pour tous les moteurs thermiques, du fait que le taux de pollution et le rendement d'un moteur thermique sont intimement liés à la qualité de pulvérisation du carburant. Dans les moteurs aéronautiques de type turboréacteurs, la pulvérisation est obtenue par désintégration d'une nappe de carburant. Pour obtenir cette désintégration dans un turboréacteur, on utilise généralement un jet d'air cisaillant soufflé à grande vitesse (typiquement à 200 m/s) dans la chambre de combustion qui impacte la nappe de carburant et la pulvérise.
Pour améliorer ce rendement et réduire la pollution engendrée par ces turboréacteurs, il est donc nécessaire de bien maîtriser la pulvérisation, ce qui est effectué de manière relativement satisfaisante en régime de fonctionnement normal étant donné que le dispositif de pulvérisation est dimensionné pour fonctionner correctement lorsque l'aéronef est en vitesse de croisière. Cependant, i! n'en est pas de même pour les autres régimes et notamment à bas régime, lorsque par exemple l'avion roule sur la piste. A ce moment-là, l'air qui entre dans la chambre de combustion n'atteint usuellement qu'une vitesse d'environ 30 m/s, insuffisante pour atomiser correctement le carburant qui donc brûle mal et engendre à la fois perte de puissance et pollution. La solution adoptée par les constructeurs aéronautiques consiste alors à disposer de plusieurs systèmes d'injection dans un même aéronef correspondant à autant de régimes de fonctionnement, ce qui présente l'inconvénient d'une solution complexe, coûteuse, d'un poids élevé et qui augmente en outre les risques de pannes. D'autres inconvénients de cette multiplicité d'injecteurs résident dans le manque de souplesse du dispositif qui ne permet pas de passer continûment d'un régime de fonctionnement à un autre et dans l'insuffisance des résultats obtenus par les injecteurs bas régime (la vitesse du jet d'air étant trop faible à bas régime, la pulvérisation peut n'être alors que partielle).
Pour apporter une solution à ces problèmes de pollution, de nouveaux injecteurs ont été développés, toujours sur le même principe précité des jets d'air cisaillant, pour obtenir des brouillards à faible concentration en carburant. Bien qu'efficaces en terme de pollution, il arrive néanmoins que la pauvreté du mélange en carburant provoque l'extinction du moteur. Le réallumage du moteur est alors difficile s'il a lieu en altitude (où la pression est faible et l'entrée d'air peut par exemple se faire à -45° C).
Une autre voie récemment explorée consiste à électriser le carburant avant son atomisation dans un turboréacteur, par injection électrostatique de charges électriques dans un jet de carburant circulant à grande vitesse. L'article Priol L., Baudel P., Louste C, Romat H., "Laser granulometry measurements on electrified jets for différent lengths of injector", Journal of electrostatics, Vol. 63, pp. 899-904, 2005, enseigne d'utiliser une telle pulvérisation électrostatique d'un carburant circulant à une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100 m/s au moyen d'une buse à symétrie de révolution incorporant une électrode en forme d'aiguille axiale reliée à une source de haute tension et une contre-électrode sensiblement radiale reliée à la terre qui est agencée en avai de l'aiguille dans la buse et qui comme l'autre électrode est destinée à être en contact avec le carburant. Cette contre- électrode est prévue en amont d'une conduite axiale terminale de cette buse de longueur L et de diamètre D (avec L/D variant de 2 à 10) par laquelle s'écoule le carburant éiectrisé avant d'être pulvérisé hors de la buse par l'orifice de sortie de cette conduite.
Le document WO-A1 -2008/052830 présente une buse de pulvérisation d'un carburant électriquement conducteur incorporant une électrode plane radiale en forme de couronne qui est logée entre deux couches radiales électriquement isolantes et dont le bord interne est pointu en amont de l'orifice de projection du carburant hors de la buse. Ce carburant conducteur est au préalable entraîné en rotation en amont de cette électrode et selon un axe de rotation perpendiculaire à celle-ci puis entre en contact avec ce bord pointu d'électrode avant d'être projeté hors de la buse.
Le document EP-B1-1 139 021 présente une buse de pulvérisation se terminant par deux électrodes métalliques axiales qui sont destinées à être en contact avec le carburant et qui définissent à elles seules le bord de l'orifice de projection du carburant hors de la buse.
Un inconvénient majeur de ce dernier dispositif de pulvérisation à électrodes qui sont toutes deux non électriquement isolées réside dans la valeur relativement réduite de l'intensité du champ électrostatique généré par ces électrodes, ce qui nuit à la qualité de l'atomisation obtenue.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de projection en particulier sous forme de nappe d'un liquide pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques qui remédie à l'ensemble des inconvénients précités, ce dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler le battement des oscillations et comprenant une buse qui forme un canal d'amenée du liquide vers au moins un orifice de projection de ce dernier hors du dispositif et qui incorpore à proximité de cet orifice une première et une seconde électrodes agencées pour injecter des charges électriques dans le liquide. A cet effet, un dispositif de projection de liquide selon l'invention est tel que le bord de cet orifice comprend, d'un côté du canal, au moins une extrémité saillante de la première électrode qui fait saillie dans ce canal et qui est destinée à être en contact avec le liquide et, d'un autre côté du canal, un corps de buse électriquement isolant dans lequel est noyée la seconde électrode de manière adjacente à la première électrode, de telle sorte que l'intensité du champ électrostatique en ladite ou chaque extrémité saillante soit maximisée. On notera en premier lieu qu'un dispositif selon l'invention ainsi défini permet non seulement de pulvériser de manière optimale sous forme de nappe un liquide qui peut être initialement non électriquement chargé, tel qu'un carburant Diesel (étant précisé que par « électriquement isolant » on entend pour ce liquide une résistivité égale ou supérieure à 108 Q.m), mais en outre de contrôler la variation de l'amplitude de l'oscillation de la nappe projetée à l'état non pulvérisé.
Par « nappe », on entend dans la présente description un film mince dont l'épaisseur peut typiquement varier de 200 μιη à 500 m et qui définit une surface pouvant être plane ou tridimensionnelle, étant avantageusement dans ce dernier cas à symétrie de révolution et délimitant un espace interne, par opposition à un jet tridimensionnel de liquide qui par définition est plein et ne définit donc pas d'espace interne.
On notera que le dispositif selon l'invention, qui peut être uniquement basé sur l'utilisation de la force de Coulomb, est apte à injecter des charges électriques dans le carburant simultanément à sa projection hors du dispositif avec obtention d'un champ électrostatique local d'intensité extrêmement élevée, grâce à l'agencement spécifique des deux électrodes dont l'une forme l'extrémité de sortie de la buse via son extrémité saillante (i.e. pointue ou acérée selon un faible rayon de courbure) et dont l'autre est électriquement isolée en étant immédiatement adjacente à cette extrémité de sortie et, par conséquent, à l'autre électrode saillante. On obtient alors localement une véritable injection forcée des charges électriques dans le carburant, et la Demanderesse a vérifié que les effets électrostatiques intenses ainsi obtenus sont de nature à perturber la nappe de carburant voire même à provoquer son explosion, avec une optimisation de la pulvérisation secondaire de la nappe et une homogénéité du brouillard de gouttelettes obtenu qui est améliorée, en comparaison des pulvérisations obtenues par les dispositifs connus précités.
Rappelons que l'on entend de manière connue par « oscillation primaire » d'une nappe de carburant pulvérisé des ondes longitudinales de petite amplitude par rapport à l'épaisseur de la nappe et correspondant à une oscillation de l'interface, et qu'en aval de cette oscillation primaire sont formés des ligaments dans le sens de l'écoulement. Ces ligaments, qui correspondent à une oscillation dite secondaire, sont régulièrement espacés dans la direction transversale de la nappe et sont séparés par de fines membranes qui se rompent rapidement sous l'effet des forces aérodynamiques en formant un brouillard de petites gouttes. Ces ligaments se rompent à leur tour pour former une population d'amas liquides de tailles relativement importantes, la création de ces amas correspondant à la fin du phénomène de pulvérisation primaire. Quant à la pulvérisation secondaire, elle correspond à la désintégration de ces amas instables en gouttelettes plus petites du fait de la pression cinétique qui s'oppose aux forces de tension superficielle.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, ledit canal est délimité par des premier et second corps de buse électriquement isolants qui sont montés en regard l'un de l'autre et qui incorporent respectivement lesdites première et seconde électrodes en des zones profilées de ces corps aboutissant audit orifice de projection, la première électrode s'étendant sur une première paroi intérieure audit canal définissant la zone profilée du premier corps et se terminant au-delà de cette paroi par ladite ou chaque extrémité en saillie dans le canal, et la seconde électrode étant adjacente à une seconde paroi extérieure au canal définissant la zone profilée du second corps. Avantageusement, ladite ou chaque extrémité saillante peut présenter un rayon de courbure principal compris entre 5 μιη et 15 m et est de préférence en forme de pointe, ledit orifice de projection présentant une plus petite dimension transversale comprise entre 100 \im et 500 μηι. On notera que ce faible rayon de courbure combiné à l'isolation de la seconde électrode permet d'obtenir un champ électrostatique local très important, avec une intensité pouvant être supérieure à 1 MV/cm en ladite ou chaque extrémité saillante lorsque l'on applique une tension alternative (d'amplitude de préférence égale à plusieurs kV et par exemple au moins égale à ± 20 kV) entre les première et seconde électrodes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite première électrode peut être globalement rectiligne en section longitudinale, ladite seconde électrode pouvant présenter une surface externe convexe qui est de préférence elliptique ou circulaire en section longitudinale, cette forme convexe ou arrondie permettant de minimiser l'intensité du champ électrostatique en cette surface.
Avantageusement dans le cas de l'utilisation préférentielle d'un carburant à titre de liquide, le dispositif de l'invention est tel que ledit premier corps de buse présente une permittivité relative εΓ de préférence inférieure ou égale à 10 (à titre encore plus préférentiel inférieure ou égale à
5), et que ledit second corps de buse présente une permittivité relative εΓ égale ou supérieure à 2 (de préférence égale ou supérieure à 5) de sorte à maximiser encore l'intensité du champ électrostatique au voisinage de ladite première électrode. Pour éviter le claquage du dispositif, cette seconde électrode est ainsi placée à l'intérieur d'un matériau isolant de permittivité élevée pour transmettre le champ électrique mais surtout de forte rigidité diélectrique pour ne pas claquer (Ses céramiques répondent à cette double contrainte et sont donc utilisables pour former le second corps de buse). Cette seconde électrode est ainsi entièrement protégée par ce matériau isolant et est conçue pour n'être jamais en contact avec le carburant ni avec l'air. A titre d'exemples de matériaux utilisables pour constituer tout ou partie de ces deux corps de buse, on peut citer en plus des céramiques le PVC et le « plexiglas », à titre non limitatif. A titre de matériaux utilisables pour constituer lesdites première et seconde électrodes, on peut citer tous matériaux électriquement conducteurs mais en outre chimiquement neutres vis-à-vis du liquide à projeter.
Pour pulvériser ce carburant sous forme de nappe, on peut pourvoir en outre ce dispositif selon l'invention de moyens pour amener au moins un flux gazeux, tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection de sorte à optimiser encore cette pulvérisation.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ledit canal présente une section transversale sensiblement rectangulaire de sorte à projeter le liquide sous forme de nappe plane, ladite première électrode présentant globalement une forme de lame plate et ladite seconde électrode une géométrie en forme de barreau, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue (par exemple à la manière d'un peigne) vue en section transversale.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, ledit canal présente une section transversale globalement annulaire (e.g. elliptique ou circulaire) de sorte à projeter le liquide sous forme de nappe à symétrie de révolution, ladite première électrode présentant une forme sensiblement conique divergeant vers ladite ou chaque extrémité saillante et ladite seconde électrode une forme sensiblement torique entourant concentriquement la première électrode, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue vue en section transversale.
A titre préférentiel selon ce second mode de l'invention, ledit premier corps de buse est situé radialement à l'intérieur dudit second corps de buse qui l'entoure de manière concentrique de manière que lesdites première et seconde parois soient respectivement divergente et convergente en direction dudit canal, et lesdits moyens pour amener des flux gazeux sont localisés radialement à l'intérieur de ce premier corps et radialement à l'extérieur de ce second corps.
On notera que le dispositif selon ce second mode de l'invention ne nécessite pas de modifier la géométrie des injecteurs actuels, l'action électrostatique pouvant être utilisée seule ou bien se superposer à l'action mécanique usuelle du jet d'air sur la nappe pour en accroître l'efficacité et la sécurité. En effet, il suffit de pourvoir desdites électrodes cet injecteur actuel à deux corps de buse interne et externe concentriques ménageant de tels flux d'air radialement interne et externe et à parois d'extrémité respectivement divergente et convergente, la structure de ces deux corps de buse pouvant être inchangée par ailleurs.
On notera également que le dispositif du second mode selon l'invention permet de simplifier considérablement les systèmes d'injection actuels sur les aéronefs en supprimant les injecteurs dédiés aux bas régimes de fonctionnement, puisque ce dispositif de l'invention est apte à assurer cette pulvérisation à bas régime par la force électrostatique selon l'invention complétée par des entrées d'air dues à un vent cisaillant par exemple à 30 m/s. Ce dispositif de l'invention est ainsi de structure simple (deux électrodes seulement sont à prévoir), peu coûteux (les techniques de fabrication classiques avec jets d'air étant utilisables), est apte à fonctionner à tous les régimes y compris au soi, consomme une puissance électrique très faible (quelques watts seulement) et est extrêmement robuste et donc peu soumis à l'usure du fait qu'il est dépourvu de toute pièce mobile contrairement à certains dispositifs connus mettant en oeuvre une rotation du carburant.
De plus, ce dispositif selon le second mode de l'invention permet d'aider au réallumage du moteur en pulvérisant la quantité importante de carburant nécessaire. Un injecteur selon l'invention d'un carburant par exemple électriquement isolant pour chambre de combustion d'un moteur thermique de véhicule terrestre, aérien ou spatial, en particulier pour un turboréacteur d'avion, comporte un dispositif apte à pulvériser ce carburant sous forme de nappe tel que défini ci-dessus et, de préférence, selon ce second mode préférentiel de l'invention avec lesdits flux gazeux qui sont localisés radialement à l'intérieur dudit premier corps et radialement à l'extérieur dudit second corps. Comme indiqué précédemment, il est à noter que cet injecteur est notamment caractérisé par la position des deux électrodes qui sont situées le plus près possible de la sortie de i'injecteur (i.e. de la lèvre d'injection de la buse), étant précisé que de préférence cette lèvre d'injecteur est constituée en partie par la première électrode injectant les charges dans le carburant l'atteignant, avec la création des forces électrostatiques intenses précitées qui déstabilisent le film de carburant pour le pulvériser sous forme de nappe.
On notera également que les moyens électrostatiques de pulvérisation inclus dans un injecteur selon l'invention peuvent être utilisés seuls pour pulvériser le carburant, i.e. sans moyens de soufflage mécanique, mais que la combinaison de ces deux moyens permet d'accroître la performance et la fiabilité de l'aéronef notamment en cas de défaillance de l'un de ces deux moyens électrostatiques et mécaniques, l'autre prenant le relais.
On notera en outre qu'un injecteur selon l'invention présente un faible encombrement, du fait que l'espace nécessaire à l'installation de ces moyens électrostatiques (i.e. essentiellement les deux électrodes, la source de haute tension et un dispositif de contrôle électronique) est réduit, et représente un gain écologique puisque l'optimisation de la pulvérisation s'accompagne d'une meilleure combustion, donc d'une consommation plus faible et par conséquent d'une baisse de la pollution générée.
D'autres utilisations selon l'invention d'un dispositif tel que défini ci-dessus peuvent consister, à titre non limitatif, à pulvériser un liquide choisi dans le groupe constitué par les liquides caloporteurs, les huiles de coupe pour machines-outils et les liquides de nettoyage de surfaces souillées, ou bien à réaliser une pompe électro-hydrodynamique pour un échangeur de chaleur sans partie tournante par exemple destiné à équiper un véhicule aérien ou spatial à moteur thermique. Un procédé selon l'invention pour projeter au moins par des forces électrostatiques et en particulier sous forme de nappe un liquide pouvant être électriquement isolant, tel qu'un carburant, en le pulvérisant ou en en contrôlant le battement des oscillations, consiste à utiliser un dispositif 5 tel que défini ci-dessus en appliquant entre lesdites première et seconde électrodes un signal alternatif de tension dont l'amplitude est de préférence de plusieurs kV et est par exemple au moins égale à + 20 kV, pour l'obtention d'un champ électrostatique local en ladite ou chaque extrémité saillante en contact avec le liquide d'intensité supérieure à 1 MV/cm et pouvant atteindre0 10 MV/cm, des charges électriques étant ainsi directement injectées dans le liquide quittant le dispositif en cette extrémité.
On notera que l'utilisation d'un signal alternatif est indispensable au bon fonctionnement du dispositif selon l'invention, pour éviter l'accumulation de charges électriques à la surface du diélectrique solide 5 qui sépare les première et seconde électrodes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la Demanderesse a découvert qu'une utilisation de signaux électriques particuliers permet une modulation fine et rapide de l'action électrique selon les besoins de l'injecteur de carburant et selon que l'on recherche une o pulvérisation du carburant ou bien un contrôle du battement de ce dernier lorsqu'il n'est pas pulvérisé.
De plus, la modulation du signal électrique permet d'obtenir une variation immédiate ou progressive du comportement de l'injecteur par ces moyens électrostatiques, cette modulation permettant d'adapter de façon 5 continue le fonctionnement de l'injecteur lors des changements de régime, grâce à un dispositif de contrôle électronique utilisé en relation avec l'injecteur.
Pour pulvériser ce liquide, on peut avantageusement utiliser une fréquence de ce signal au moins égale à 1 kHz, ce signai étant de o préférence carré avec, par exemple, une fréquence égale ou supérieure à 2 kHz et un temps de montée voisin de 400 ν/μ≤. On notera néanmoins que toutes les autres formes existantes de signaux alternatifs sont utilisables pour obtenir cette pulvérisation, comme par exemple des signaux sinusoïdaux, triangulaires ou même sous forme d'impulsions.
Pour contrôler le battement des oscillations de ce liquide sans le pulvériser, on peut avantageusement utiliser une fréquence de ce signal comprise entre 5 Hz et 100 Hz, ce signal étant de préférence de type sinusoïdal ou triangulaire et de fréquence sensiblement égale à 50 Hz. On notera que ce contrôle du battement est notamment utile en cas d'association d'un ou de plusieurs jets d'air en plus de ces moyens électrostatiques.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, l'on met en mouvement le liquide dans ledit canal avec une vitesse comprise entre 0,5 m/s et 2 m/s, et l'on obtient une nappe sensiblement plane ou à symétrie de révolution pour le liquide projeté d'épaisseur comprise entre 200 μΐΎΐ et 500 pm, de préférence en amenant en outre au moins un flux gazeux, tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection et à une vitesse par exemple comprise entre 30 m/s et 200 m/s, pour optimiser la pulvérisation du carburant projeté par le dispositif.
Les caractéristiques précitées de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux comprises à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, ladite description étant réalisée en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
la figure 1 est une vue schématique partielle et en section axiale d'un dispositif de projection d'une nappe selon l'invention à symétrie de révolution pour injecteur de carburant,
la figure 2 est une vue schématique partielle et en section longitudinale suivant le plan ll-ll de la figure 9, d'un dispositif de projection selon l'invention d'une nappe plane de carburant correspondant à une variante simplifiée de la figure 1 ,
la figure 3 est une vue schématique en agrandissement de l'extrémité de projection du dispositif de la figure 2 montrant notamment un exemple de forme et d'agencement des deux électrodes équipant ce dispositif,
la figure 4 est une vue de dessous du premier corps de buse du dispositif de projection de la figure 2 (sans la première électrode à 5 extrémité saillante prolongeant ce premier corps),
la figure 5 est une vue latérale de ce premier corps de buse de la figure 2 montré dépourvu de sa première électrode,
la figure 6 est une vue frontale de ce premier corps de buse de la figure 2 montré dépourvu de sa première électrode,
o la figure 7 est une vue de dessous du second corps de buse du dispositif de projection de la figure 2, montrant le logement pratiqué dans ce corps de buse pour y recevoir la seconde électrode électriquement isolée, la figure 8 est une vue latérale de ce second corps de buse de la figure 2,
5 la figure 9 est une vue frontale de ce second corps de buse de la figure 2,
la figure 10 est une juxtaposition de deux photographies montrant en vues de face deux nappes obtenues par le dispositif de la figure 2, la photographie de gauche montrant la nappe non pulvérisée obtenue sans o les moyens électrostatiques de l'invention, et celle de droite la nappe pulvérisée selon l'invention qui est obtenue par ces moyens,
la figure 11 est une juxtaposition de deux autres photographies montrant en vue de profil deux nappes obtenues par le dispositif de la figure 2, la photographie de gauche montrant la nappe non
5 pulvérisée et sans battement obtenue sans les moyens électrostatiques de l'invention, et celle de droite la nappe non pulvérisée mais soumise au battement qui est obtenue par ces moyens,
la figure 12 est une juxtaposition de deux rangées de quatre photographies chacune montrant en vue de face, pour quatre vitesses o différentes de nappes, ces dernières à l'état non pulvérisé à la rangée du haut (i.e. sans les moyens électrostatiques) et à l'état pulvérisé à la rangée du bas (i.e. avec ces moyens, via un signai électrique carré de fréquence 2kHz et ± 30 kV d'amplitude),
la figure 13 est une juxtaposition de deux rangées de quatre photographies chacune montrant les nappes de la figure 12 en vue de profil, (i.e. pour les mêmes vitesses de nappes, à l'état non pulvérisé à la rangée du haut et à l'état pulvérisé à la rangée du bas via ce même signal électrique), la figure 14 est une juxtaposition de six rangées de deux photographies chacune montrant en vue de face (pour les photographies de gauche) et en vue de profil (pour celles de droite) l'influence, sur la pulvérisation de la nappe, de la fréquence du signal électrique carré d'amplitude ± 30 kV utilisé eh relation avec ces moyens, la vitesse de la nappe étant de 1 m/s,
la figure 15 est une juxtaposition de quatre rangées de deux photographies chacune (à l'exception de la seconde rangée) montrant en vue de face (pour les photographies de gauche) et en vue de profil (pour celles de droite) l'influence, sur la pulvérisation de la nappe, de l'amplitude du signal électrique carré de fréquence 1 kHz utilisé en relation avec ces moyens,
la figure 16 est une juxtaposition de quatre rangées de deux photographies chacune (à l'exception de la première rangée) montrant l'influence, sur le battement de la nappe, de la forme du signal (sinusoïdale pour les photographies de gauche et triangulaire pour celles de droite) et de la fréquence de ce signal d'amplitude ± 30 kV utilisé en relation avec ces moyens, la vitesse de la nappe étant de 1 m/s, et
la figure 17 est une juxtaposition de deux rangées de trois photographies chacune montrant l'influence, sur le battement de la nappe, de la forme du signal (sinusoïdale pour la rangée supérieure et triangulaire pour la rangée inférieure) et de la fréquence de ce signai (avec trois fréquences pour chaque rangée) d'amplitude ± 30 kV utilisé en relation avec ces moyens, la vitesse de la nappe étant de 1 m/s. Le dispositif 1 de projection de liquide 2 illustré à la figure 1 représente un mode de réalisation préférentiel d'une buse pour injecteur de carburant selon l'invention. Comme cela sera expliqué ci-après, la buse 1 peut être utilisée au choix pour pulvériser le carburant 2 ou pour contrôler le battement de son oscillation, et elle comporte essentiellement :
- un premier corps de buse 3 radialement interne, électriquement isolant et en forme de tube creux à surface externe 4 cylindrique dont l'espace interne est avantageusement conçu pour acheminer un jet d'air central 5 radialement à l'intérieur de la nappe de carburant 2 projetée par la buse 1 (cylindrique dans le schéma de la figure 1, étant entendu que cette nappe pourrait être conique) de sorte à en améliorer la pulvérisation par exemple, ce premier corps 3 se terminant par une surface interne conique 6 qui diverge radialement vers l'extérieur et qui est recouverte d'une première électrode 7 (par exemple métallique) épousant cette surface 6 et de section axiale rectiligne se terminant par une pointe en saillie 7a radialement à l'extérieur de la surface externe 4 de sorte à être au contact du carburant 2 projeté,
- un second corps de buse 8 radialement externe, électriquement isolant et en forme de tube creux à surface interne 9 cylindrique dont l'espace externe est avantageusement conçu pour acheminer un autre jet d'air périphérique 10 radialement à l'extérieur de la nappe projetée de carburant 2, ce second corps 8 se terminant par une surface externe conique 11 qui converge radialement vers l'intérieur pour se terminer sensiblement en regard de la pointe 7a de la première électrode 7, et qui renferme dans sa masse une seconde électrode 12 (par exemple métallique) à proximité immédiate de l'extrémité aval de ce second corps 8 et donc de la première électrode 7, et
- des moyens 13 de génération et de contrôle d'un signal électrique alternatif appliqué entre les électrodes 7 et 12 (de forme, d'amplitude et de fréquence réglables, comme expliqué ci-dessous), lesquelles sont reliées à une source de haute tension HT incluse dans ces moyens 13. Le positionnement relatif des deux corps de buse 3 et 8 définit un étroit canal 14 d'amenée du carburant 2 à projeter de section annulaire, avec un espacement E entre ces deux corps 3 et 8 par exemple compris entre 100 pm et 500 μιτι, déterminant ainsi l'épaisseur de la nappe de carburant 2 projetée (avec une vitesse de sortie par exemple de l'ordre de 1 m/s).
Plus précisément, la première électrode 7 est conçue pour injecter directement des charges électriques dans le carburant 2 dans lequel sa pointe 7a est immergée en fonctionnement, en servant de lèvre d'injecteur à la buse 1 du fait que cette électrode 7 constitue partiellement le bord 15 de l'orifice de projection de la buse 1. Cette injection directe au niveau de la pointe 7a est réalisée grâce à un champ électrostatique d'intensité très élevée (plusieurs MV/cm pouvant aller jusqu'à 10 MV/cm) que l'on génère en cette pointe 7a par la haute tension HT appliquée entre les deux électrodes 7 et 12, grâce au rayon de courbure suffisamment faible de cette pointe 7a qui est par exemple d'environ 10 pm. Quant au matériau du premier corps 3 constituant le support isolant de cette première électrode 7, il est choisi de permittivité εΓ faible pour maximiser l'intensité du champ électrostatique au voisinage de la pointe 7a, cette permittivité étant de préférence inférieure à celle du liquide 2 à projeter soit inférieure à 2,2 pour un carburant diesel de type « GASOIL », par exemple.
La seconde électrode 12 est entièrement noyée dans le second corps de buse 8 qui l'isole électriquement pour empêcher la formation d'arcs électriques entre les deux électrodes 7 et 12. L'électrode 12 présente une géométrie dépourvue d'angles ou d'arêtes (avantageusement convexe ou arrondie, étant globalement en forme de tore dans l'exemple de la figure 1) qui limite le champ électrique à sa surface ainsi que les contraintes sur le matériau isolant qui est au contact de cette électrode 12. Ce matériau isoiant présente une rigidité diélectrique choisie la plus élevée possible, et une permittivité également élevée (εΓ > 5 de préférence) pour maximiser l'intensité du champ électrostatique au voisinage de la première électrode 7. Quant aux deux jets d'air 5 et 10 précités qui sont conçus pour venir souffler sur les faces respectivement interne et externe de la nappe 2 émise, leur vitesse peut varier de 30 m/s à 200 m/s à titre d'exemple.
On notera que l'injecteur électrostatique 1 selon l'invention de la figure 1 se distingue uniquement d'un injecteur de l'état antérieur de la technique par l'ajout et l'agencement spécifique des deux électrodes 7 et 12 en relation avec les moyens 13 de génération et de contrôle du signal électrique alternatif entre ces électrodes 7 et 12. En d'autres termes, l'architecture générale d'un tel injecteur connu n'a pas été modifiée, l'effet électrostatique se superposant avantageusement ou non à l'effet aéromécanique, ce qui permet de disposer d'une action mécanique seule, d'une action électrostatique seule ou bien de ces deux actions de façon simultanée pour la pulvérisation du carburant 2.
Comme expliqué précédemment, il est à noter que la nappe de carburant 2 ainsi chargée subit l'action des forces électrostatiques qui engendrent au choix soit sa pulvérisation, soit son oscillation contrôlée, selon le signal électrique appliqué entre les électrodes 7 et 12, et que cette pulvérisation ou le contrôle de cette oscillation sont optimisées par les géométries respectives de ces électrodes 7 et 12 qui sont conçues pour maximiser le champ électrostatique sur la première électrode 7 et donc l'injection directe des charges électriques dans le carburant 2.
On a testé, en référence aux figures 2 à 9 (cotes exprimées en mm), une buse 101 de projection de carburant à canal de projection 114 plan, cette géométrie ayant été retenue pour des raisons de simplicité et du fait qu'elle est représentative des résultats obtenus avec un dispositif à symétrie de révolution (i.e. axisymétrique du type de celui de la figure 1) à canal de projection 14 de section annulaire. On a utilisé pour ces essais deux prototypes plans de même structure mais réalisés avec des matériaux électriquement isolants différents, le premier ayant ses deux corps de buse 103 et 108 en PVC et le second en « plexiglas » (avec une permittivité εΓ de 4,5, une résistivité de 1015 Q.m et une rigidité diélectrique > 40 kV/mm en courant alternatif). Quant au carburant utilisé, il s'agit de « GASOIL » de masse volumique égale à 860 kg/m3, de permittivité relative εΓ =2,2, de résistivité allant compris entre 109 et 1010 Q.m et de viscosité cinématique égale à 4,3 10"6 m2/s.
La buse de projection 101 visible à ces figures 2 à 9 comporte deux premier et second corps de buse 103 et 108 qui sont respectivement pourvus des première et seconde électrodes 107 et 112 et qui se différencient essentiellement de ceux de la figure 1 en ce que ces corps 103 et 108 présentent chacun une même géométrie de section transversale rectangulaire, en lieu et place de la section transversale annulaire de ceux de la figure 1 (cette forme rectangulaire est visible aux figures 4 et 6 pour le premier corps 103 et aux figures 7 et 9 pour le second 108).
L'extrémité amont de ces deux corps 103 et 108 est dans l'exemple de la figure 2 surmontée d'un chapeau 116 venant fermer une chambre de tranquillisation 117 du carburant qui présente une section longitudinale rectangulaire et qui est délimitée par les faces internes respectives des deux corps 103 et 108, symétriques l'une de l'autre par rapport au canal central 114 de projection du carburant. Plus précisément, la chambre 117 et ce canal 114 sont centrés sur l'axe longitudinal de symétrie X de la buse 101 , et un orifice central 116a ménagé dans le chapeau 116 permet l'arrivée du carburant dans la chambre 117, laquelle se rétrécit à angle droit à proximité de ['extrémité aval de la buse 101 par deux épaulements 103a et 108a que présentent les faces internes des corps 103 et 108. Ce canal 114 forme un tronçon terminal de faible largeur I (1 mm, voir figure 3) qui communique en amont avec la chambre 117 et aboutit à l'extrémité aval profilée de la buse 101 formée par les surfaces externes obliques respectives 103b et 108b des deux corps 103 et 108.
La première électrode 107 (réalisée en acier chromé) est en forme de lame plate qui s'étend sur la majeure partie de la surface externe oblique 103b du premier corps 103 et qui se termine par une extrémité pointue 107a faisant obliquement saillie dans le canal 114, de telle manière que cette extrémité saillante 107a définisse partiellement le bord 115 de l'orifice aval de projection de la buse 101 (voir figure 3) conjointement à l'arête terminale aiguë du second corps 108, la largeur e entre cette extrémité saillante 107a et cette arête en regard étant dans cet exemple de 300 pm.
Quant à la seconde électrode 112 (également réalisée en
5 acier chromé), elle est noyée dans cet exemple de réalisation dans une résine isolante 112a de type époxy qui vient remplir une cavité débouchant sur la surface externe oblique 108b du second corps 108 dans la zone profilée de ce dernier et à proximité immédiate de ladite arête. On voit aux figures 2 et 3 que cette résine isolante 112a forme ainsi une partie de la surface oblique 108b et o est en contact avec le matériau isolant (e.g. PVC ou « plexiglas ») du second corps 108. Cette seconde électrode 1 2 présente dans cet exemple une section longitudinale oblongue et arrondie qui est sensiblement elliptique.
On notera que la connectique des électrodes 107 et 112 n'a pas été représentée sur ces figures 2 à 9 pour des raisons de clarté.
5 On a ainsi obtenu des nappes projetées sensiblement planes avec des vitesses de nappes comprises entre 0,5 m/s et 2 m/s, chaque nappe ayant une section rectangulaire de longueur environ égale à 8 cm (dans la direction transversale des figures 6 et 9) et de largeur environ égale à 4 cm (dans la direction longitudinale de ces figures), avec une épaisseur de nappe o d'environ 300 Mm (correspondant à la largeur e précitée de l'orifice de projection).
Les figures 11 à 17 présentent les nappes obtenues lors d'essais réalisés en l'absence d'écoulement d'air (i.e. seulement par les 5 moyens électrostatiques comprenant ces électrodes 107 et 112), au moyen du dispositif de projection 101 selon ces figures 2 à 9 dont les corps de buse 103 et 108 sont réalisés en « plexiglas » (à l'exception de la résine en époxy 112a précitée).
Sur l'image de gauche de la figure 10, on voit que la nappe 0 projetée de carburant non pulvérisé (du fait de l'absence de signal électrique généré entre les électrodes) est parfaitement stable en vue de face, alors que l'image de droite de cette figure 10 illustre la pulvérisation efficace obtenue par la seule injection forcée de charges électriques selon l'invention (via un signal électrique alternatif), les moyens électrostatiques étant ainsi capables à eux seuls de pulvériser la nappe.
Sur l'image de gauche de la figure 11, on voit que la nappe projetée de carburant non pulvérisé (du fait de l'absence de signal électrique) est parfaitement linéaire (Le. sans battement) vue de profil, alors que l'image de droite de cette figure 11 montre que la génération d'un signal alternatif adéquat entre les électrodes (voir ci-dessous) permet de contraindre la nappe de carburant avec un battement donné d'oscillations.
Sur la rangée supérieure d'images de la figure 12, sont illustrées en vue de face quatre nappes projetées sans pulvérisation (du fait de l'absence de signal électrique) à des vitesses respectives de 0,6 m/s, 1 m/s, 1 ,5 m/s et 2 m/s, alors que la rangée inférieure d'images de cette figure 12 montre la pulvérisation obtenue selon l'invention à ces quatre vitesses de nappe via un signal électrique carré de 2 kHz et d'amplitude ± 30 kV.
Sur la rangée supérieure d'images de la figure 13, sont illustrées en vue de profil quatre nappes projetées sans pulvérisation (du fait de l'absence de signal électrique) à ces quatre mêmes vitesses, alors que la rangée inférieure d'images de cette figure 13 montre la pulvérisation obtenue selon l'invention à ces vitesses de nappe via ce même signal électrique carré de 2 kHz et d'amplitude ± 30 kV. On voit à cette rangée inférieure que les grosses gouttes (de 1 mm à 3 mm de diamètre) qui proviennent pour la plupart des bords de la nappe sont visibles au centre, et qu'une multitude de petites gouttes de très faible diamètre (inférieur à 100 μηι) sont également visibles de part et d'autre du jet central.
La figure 14 montre l'influence sur la qualité de la pulvérisation obtenue (avec une vitesse de nappe de 1 m/s) de la fréquence d'un signal électrique carré d'amplitude ± 30 kV, cette fréquence variant de 0 Hz à la rangée du haut (i.e. en l'absence de signal) à la fréquence maximale de 2 kHz à la rangée du bas. On voit que l'utilisation de hautes fréquences (i.e. d'au moins 500 Hz) et de préférence comprises entre 1 et 2 kHz procure une pulvérisation satisfaisante de la nappe. La figure 15 montre i'influence sur la qualité de la pulvérisation obtenue de l'amplitude du signal électrique carré de 1 kHz. On voit que cette amplitude doit être dans cet exemple supérieure à ± 20 kV pour l'obtention d'une nappe finement pulvérisée.
Les deux colonnes d'images de la figure 16 (vues de face) montrent l'influence sur le battement de nappe obtenu de la forme et de la fréquence du signal alternatif, pour une même amplitude de signal égale à ±30 kV et pour une vitesse du carburant de 1 m/s. A la colonne de gauche sont illustrées les nappes obtenues pour un signai sinusoïdal et à celle de droite pour un signal triangulaire, dans les deux cas pour des fréquences allant de 5 Hz à 100 Hz.
Les deux rangées d'images de la figure 17 (vues de profil) complètent ces vues de la figure 16 pour trois de ces fréquences (5 Hz, 10 Hz et 50 Hz) et permettent de visualiser le battement obtenu pour les signaux sinusoïdaux (rangée supérieure) et triangulaires (rangée inférieure).
11 ressort de ces figures 10 à 17 que les dispositifs de projection selon l'invention fonctionnent de manière satisfaisante avec tous les types de signaux alternatifs classiques (i.e. de type carré, sinusoïdal, triangulaire et même à impulsions). Plus précisément, l'utilisation spécifique d'une basse fréquence (supérieure à 50 Hz) associée à un signal « doux » de type sinusoïdal ou triangulaire permet d'obtenir un battement de ia nappe sans pulvérisation, alors que l'utilisation de hautes fréquences (jusqu'à 2 kHz) permet d'obtenir une pulvérisation fine de la nappe (des pulvérisations d'excellente qualité ont été obtenues avec un signal carré de 2 kHz). On peut néanmoins envisager de pulvériser les nappes de manière satisfaisante (i.e. avec une pulvérisation secondaire optimisée) avec un dispositif selon l'invention à des fréquences de signaux alternatifs supérieures à 2 kHz.

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif de projection (1 , 101) en particulier sous forme de nappe d'un liquide (2) pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques, le dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler le battement des oscillations, ce dispositif comprenant une buse qui forme un canal d'amenée (14, 114) du liquide vers au moins un orifice de projection (15, 115) de ce dernier hors du dispositif et qui incorpore à proximité de cet orifice une première et une seconde électrodes (7, 107 et 12, 112) agencées pour injecter des charges électriques dans le liquide, caractérisé en ce que le bord (15, 115) de cet orifice comprend, d'un côté du canal, au moins une extrémité saillante (7a, 107a) de la première électrode (7, 107) qui fait saillie dans ce canal et qui est destinée à être en contact avec le liquide et, d'un autre côté du canal, un corps de buse (8, 108) électriquement isolant dans lequel est noyée la seconde électrode (12, 112) de manière adjacente à la première électrode, de telle sorte que l'intensité du champ électrostatique en ladite ou chaque extrémité saillante soit maximisée.
2) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit canal (14, 114) est délimité par des premier et second corps de buse (3, 103 et 8, 108) électriquement isolants qui sont montés en regard l'un de l'autre et qui incorporent respectivement lesdites première et seconde électrodes (7, 107 et 12, 112) en des zones profilées de ces corps aboutissant audit orifice de projection (15, 115), la première électrode s'étendant sur une première paroi (6, 103b) intérieure audit canal définissant la zone profilée du premier corps et se terminant au-delà de cette paroi par ladite ou chaque extrémité en saillie (7a, 107a) dans le canal, et la seconde électrode étant adjacente à une seconde paroi extérieure (11 , 108b) au canal définissant la zone profilée du second corps.
3) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite ou chaque extrémité saillante (7a, 107a) présente un rayon de courbure principal compris entre 5 pm et 15 pm et est de préférence en forme de pointe, ledit orifice de projection (15, 115) présentant une plus petite dimension transversale comprise entre 100 pm et 500 pm. 4) Dispositif (1 , 101) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première électrode (7, 107) est globalement rectiligne en section longitudinale, ladite seconde électrode (12, 112) présentant une surface externe convexe qui est de préférence elliptique ou circulaire en section longitudinale de sorte à minimiser l'intensité du champ électrostatique en cette surface.
5) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 2 et l'une des revendications 3 et 4, ce dispositif étant apte à projeter un carburant à titre de liquide (2), caractérisé en ce que ledit premier corps de buse (3, 103) présente une permittivité relative εΓ inférieure ou égale à 10, et en ce que ledit second corps de buse (8, 108) présente une permittivité relative εΓ égale ou supérieure à 2 de sorte à maximiser encore l'intensité du champ électrostatique au voisinage de ladite première électrode (7, 107). 6) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est apte à générer ledit champ électrostatique local avec une intensité supérieure à 1 MV/cm en ladite ou chaque extrémité saillante (7a, 107a) lorsque l'on applique une tension alternative entre lesdites première et seconde électrodes (7, 107 et 12, 112).
7) Dispositif (1) selon une des revendications précédentes, ce dispositif étant apte à pulvériser sous forme de nappe un carburant à titre de liquide (2), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour amener au moins un flux gazeux (5, 10), tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection (15) de sorte à optimiser la pulvérisation du carburant projeté par le dispositif. 8) Dispositif (101) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit canal (114) présente une section transversale sensiblement rectangulaire de sorte à projeter le liquide sous forme de nappe plane, ladite première électrode (107) présentant globalement une forme de lame plate et ladite seconde électrode (112) une géométrie en forme de barreau, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue vue en section transversale.
9) Dispositif (1) selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit canal (14) présente une section transversale globalement annulaire de sorte à projeter le liquide (2) sous forme de nappe à symétrie de révolution, ladite première électrode (7) présentant une forme sensiblement conique divergeant vers ladite ou chaque extrémité saillante (7a) et ladite seconde électrode (12) une forme sensiblement torique entourant concentriquement la première électrode, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue vue en section transversale.
10) Dispositif (1) selon les revendications 2, 7 et 9, caractérisé en ce que ledit premier corps de buse (3) est situé radialement à l'intérieur dudit second corps de buse (8) qui l'entoure de manière concentrique de manière que lesdites première et seconde parois (6 et 11 ) soient respectivement divergente et convergente en direction dudit canal (14), et en ce que lesdits moyens pour amener des flux gazeux (5, 10) sont localisés radialement à l'intérieur de ce premier corps et radialement à l'extérieur de ce second corps.
1 1) Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il forme une pompe électro-hydrodynamique pour un échangeur de chaleur sans partie tournante par exemple destiné à équiper un véhicule aérien ou spatial à moteur thermique. 12) lnjecteur d'un carburant (2) pouvant être électriquement isolant pour chambre de combustion d'un moteur thermique de véhicule terrestre, aérien ou spatial, en particulier pour un turboréacteur d'avion, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) apte à pulvériser ce carburant sous forme d'une nappe selon une des revendications 1 à 10 et, de préférence, selon la revendication 10.
13) Utilisation d'un dispositif selon une des revendications 1 à 10 pour pulvériser un liquide choisi dans le groupe constitué par les liquides caloporteurs, les huiles de coupe pour machines-outils et les liquides de nettoyage de surfaces souillées.
14) Procédé pour projeter au moins par des forces électrostatiques et en particulier sous forme de nappe un liquide (2) pouvant être électriquement isolant, tel qu'un carburant, en le pulvérisant ou en en contrôlant le battement des oscillations, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un dispositif (1 , 101) selon une des revendications 1 à 11 en appliquant entre lesdites première et seconde électrodes (7, 107 et 12, 112) un signal alternatif de tension dont l'amplitude est de préférence de plusieurs kV, pour l'obtention d'un champ électrostatique local en ladite ou chaque extrémité saillante (7a, 107a) d'intensité supérieure à 1 MV/cm, des charges électriques étant ainsi directement injectées dans le liquide quittant le dispositif en cette extrémité. 15) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que pour pulvériser ce liquide (2), on utilise une fréquence de ce signal au moins égale à 1 kHz, ce signal étant de préférence carré et de fréquence de préférence égale ou supérieure à 2 kHz. 16) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que pour contrôler le battement des oscillations de ce liquide (2) sans le pulvériser, on utilise une fréquence de ce signal comprise entre 5 Hz et 100 Hz, ce signal étant de préférence de type sinusoïdal ou triangulaire et de fréquence sensiblement égale à 50 Hz.
17) Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que l'on met en mouvement le liquide (2) dans ledit canal (14, 114) avec une vitesse comprise entre 0,5 m/s et 2 m/s, et en ce que l'on obtient une nappe sensiblement plane ou à symétrie de révolution pour le liquide projeté d'épaisseur comprise entre 200 pm et 500 pm, de préférence en amenant en outre au moins un flux gazeux (5, 10), tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection (15) et à une vitesse par exemple comprise entre 30 m/s et 200 m/s, pour optimiser la pulvérisation du carburant projeté par le dispositif (1 , 101).
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