WO1997013153A1 - Dispositif de controle et/ou de mesure du tourbillonnement a l'admission dans une chambre de combustion d'un moteur thermique alternatif - Google Patents
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Definitions
- the efficiency depends in part on the quality of the combustion, which itself is a function of the quality of the oxidizer-fuel mixture admitted into the combustion chamber.
- the invention therefore relates to a device for controlling and / or measuring the turbulence in a combustion chamber of a heat engine, partially delimited by a cylinder head carrying intake openings, comprising at least one cylindrical jacket, one of the axial ends of which is intended to be capped by the wall of the combustion chamber carried by the cylinder head of the engine, means for generating a circulation of gas in the jacket and through at least one intake opening , this device comprising a longitudinal probe implanted radially in the jacket, provided with at least two separate internal channels communicating with the interior volume of the jacket by two outlets arranged in a plane parallel to the axis of the jacket and, in this plane , intersecting each other and with the longitudinal axis of the probe, and a differential pressure gauge each input of which is connected to a respective internal channel of the probe.
- the probe in question works like a Pitot tube. It is specially adapted to control the swirl coefficient by comparison with a reference chamber. Thus, with the reference chamber, the position of the probe is fixed to obtain a difference of zero pressure across the differential pressure gauge at the point of maximum speed. Thus regulated, the device is placed at the right of each of the chambers to be checked. If the indication of the differential pressure gauge is zero, the "number of swirls" or the “swirl coefficient" of the controlled chamber will be considered acceptable. From the measurements made in the reference chamber of a test engine, and to respond to the multiple interpretations of its basic definition, the value of the actual or approximate "swirl number", the value of the usual “swirl coefficient” of engine manufacturers may be displayed. If, on the other hand, a difference appears at the terminals of this manometer, the "swirl coeffi ⁇ cient" will necessarily be different from that of the reference chamber and this difference may constitute a refusal criterion in a control chain.
- the probe comprises a third internal channel, the outlet of which is located on the bisector of the angle formed by the intersecting axes of the preceding outlets, and a second differential pressure gauge, each input of which is connected respectively to the third channel and to one of the previous channels.
- the third orifice makes it possible to obtain the flow stop pressure and the second differential pressure gauge then delivers a value directly linked to the speed of the flow at the measurement point.
- FIG. 1 is a functional diagram of a first embodiment of the invention in its use for the control of motors
- FIG. IA is a detailed view of this first embodiment
- FIG. 2 is a functional diagram of a second embodiment of the invention in its use for obtaining a quantified value of a variable connected to the swirl of a combustion chamber,
- FIG. 1 illustrates a detail of this embodiment
- a cylinder head l which partially defines a combustion chamber 2 in which terminates an intake channel 3 provided with a valve 4
- a cylindrical jacket 5 was placed, closed at one of its axial ends by the cylinder head 1 and the other axial end of which is connected to a vacuum cleaner 6 which allows, when in service generate a gas flow inside the cylindrical jacket 5 coming from the intake opening formed by the outlet of the channel 3 in the combustion chamber 2 around the head of the valve 4
- the device also includes a probe 7 formed by an elongated cylindrical body inside which two channels 8 and 9 are formed. Close to one end of the probe, these channels 8 and 9 have an outlet 10, 11 each formed by an orifice. radial substantially perpendicular to the longitudinal axis 12 of the probe 7 These outlets 10 and 11 are contained in a plane P parallel to the axis of the cylindrical jacket 5, and are oriented so that their axis is in this plane P secant at the point of their meeting with the longitudinal axis 12 of the probe.
- Figure IA is a section of the probe through the plane P. At another end of the probe 7 the internal channels 8 and 9 are connected to a differential pressure gauge 13.
- the end of the probe provided with outlets 10 and 11 s' extends inside the volume delimited by the cylindrical jacket 5 so that the pressure which reigns in these outlets is influenced by the flow E generated in the cylinder 5 by the vacuum cleaner 6.
- the outlets 10 and 11 can be arranged so that the pressure prevailing in each of them is equal and that the differential pressure gauge 13 is in its balanced state shown in FIG. 1. This condition is obtained when the speed V of l flow at the measuring point is oriented along the bisector of the angle formed in the plane P by the outlets 10 and 11.
- the speed V is one of the parameters that characterizes the swirl of an engine.
- the balance of pressures in the outlets 10 and 11 of the conduits 8 and 9 obtained opposite a reference combustion chamber constitutes a benchmark value for quantifying a swirl coefficient qualified as reference since being that calculated in an engine reference from speed profiles.
- the finding of equilibrium leads to deciding that the controlled room is acceptable because it has a swirl coefficient equal to that of the reference.
- the probe 7 has a third internal channel 14, the outlet 15 of which is located on the bisector of the angle formed, in the plane P, the outlets 10 and 11 of the channels 7 and 8.
- This channel 14 is connected to the input of a second differential pressure gauge 16, another input of this differential pressure gauge being connected to one of the channels 8 or 9.
- the probe of FIG. 2 can be adjusted, when it is implanted in the jacket 5, angularly about its axis to obtain the balance of the differential pressure gauge 13.
- the differential pressure gauge 16 indicates the pressure of stop detected by the outlet 15, this pressure being directly linked to the speed V of the flow E.
- the value of this speed V is not uniform depending on the radial position of the measuring point. Indeed, the closer we are to the axis of the jacket 5, the lower this speed.
- this speed passes through a maximum and then decreases, taking into account the fact that the gas stream is, in the vicinity of the inner surface of the cylindrical jacket 5, braked by friction. It is therefore possible by the probe of FIG. 2 to find the maximum value recorded by the differential pressure gauge 16 therefore corresponding to the maximum speed of the gas stream at the point of measured.
- the probe 7 must be distant from the end of the jacket 5 covered by the cylinder head by a value at least equal to twice the inside diameter of this jacket in order to be outside of zones of secondary turbulence which are located at the top of the folder 5.
- the invention surprisingly makes it possible to control a characteristic parameter (the swirl) of an engine by a simple punctual measurement while the very nature of this parameter can only lead the skilled person to a global measuring instrument, that is to say having a function of integrating the manifestation of the parameter in a given section of the combustion chamber. This resulted in a very weak device dimensions suitable for the simultaneous control of all the chambers of an engine.
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Abstract
Le dispositif comporte au moins une chemise cylindrique (5) dont une des extrémités axiales est prévue pour être coiffée par la paroi de la chambre de combustion (2) portée par la culasse (1) du moteur, des moyens (6) pour engendrer une circulation de gaz dans la chemise et à travers au moins une ouverture d'admission, une sonde (7) longitudinale implantée radialement dans la chemise (5) pourvue d'au moins deux canaux internes (8, 9) séparés, communiquant avec le volume intérieur de la chemise (5) par deux débouchés disposés dans un plan (P) parallèle à l'axe de la chemise (5) et, dans ce plan (P), sécants mutuellement et avec l'axe longitudinal de la sonde et un manomètre différentiel (13) dont chaque entrée est raccordée à un canal (8, 9) interne respectif de la sonde (7).
Description
Dispositif de contrôle et/ou de mesure du tourbillonnement à l'admission dans une chambre de combustion d'un moteur thermique alternatif.
Dans le domaine des moteurs alternatifs à combus¬ tion interne (diesel ou essence) le rendement dépend pour une part de la qualité de la combustion qui elle-même est fonction de la qualité du mélange comburant-carburant admis dans la chambre de combustion.
Des études ont montré que la qualité du mélange est directement liée au champ de vitesse de l'écoulement dans la chambre de combustion à l'aspiration et notamment à la composante rotative de ce champ. Cette rotation, ou tourbillon, est appelée "swirl" et on sait caractériser ce swirl par un "coefficient de swirl" utilisé par les constructeurs notamment pour le contrôle de chaque moteur par comparaison avec un coefficient de référence obtenu sur un moteur (culasse) de référence. L'un des appareils utilisés pour l'obtention et la comparaison de ces coefficients est un torquemètre comportant une structure tournante (moulinet ou nid d'abeille) placé dans un écoulement gazeux d'admission au travers des ouvertures d'admission de la culasse équipées des soupapes correspondantes, canalisé sous la culasse dans une chemise cylindrique où se trouve le corps tournant. Cet appareil présente de nombreux inconvénients. D'abord il lui est impossible de caractériser quantitativement un swirl du fait même de sa conception qui suppose des simplifications et des approximations des paramètres pris en compte. En outre, la présence de ce corps tournant dans la totalité de la section de la veine gazeuse engendre une perturbation non négligeable de celle-ci qui fausse sensiblement le résultat obtenu. Enfin c'est un appareil encombrant qui ne permet pas de tester l'ensemble des chambres d'un moteur (d'une culasse) en une seule opération, les entraxes des chambres étant trop faibles pour loger autant d'appareils que de chambres .
Par l'invention on propose un autre appareil qui permet, du fait d'un encombrement beaucoup plus réduit, d'être implanté dans l'espace défini par les entraxes des chambres et qui rend possible le contrôle d'une culasse entière en une seule opération. Tout en permettant d'obte¬ nir le coefficient de swirl des appareils actuels, donc de s'y substituer dans les opérations comparatives de contrô¬ le, il possède l'avantage de permettre la détermination du nombre de swirl réel ainsi que toutes les définitions approchées qui ont été établies dans la littérature. Il présente enfin l'intérêt de n'introduire qu'une perturba¬ tion négligeable dans l'écoulement observé.
A cet effet, l'invention a donc pour objet un dispositif de contrôle et/ou de mesure de la turbulence dans une chambre de combustion d'un moteur thermique, délimitée partiellement par une culasse portant des ouvertures d'admission, comportant au moins une chemise cylindrique dont l'une des extrémités axiales est prévue pour être coiffée par la paroi de la chambre de combustion portée par la culasse du moteur, des moyens pour engendrer une circulation de gaz dans la chemise et à travers au moins une ouverture d'admission, ce dispositif comportant une sonde longitudinale implantée radialement dans la chemise, pourvue d'au moins deux canaux internes séparés communiquant avec le volume intérieur de la chemise par deux débouchés disposés dans un plan parallèle à l'axe de la chemise et, dans ce plan, sécants mutuellement et avec l'axe longitudinal de la sonde, et un manomètre différen¬ tiel dont chaque entrée est raccordée à un canal interne respectif de la sonde.
La sonde en question fonctionne comme un tube de Pitot . Elle est spécialement adaptée au contrôle du coefficient de swirl par comparaison avec une chambre de référence. Ainsi, avec la chambre de référence, on fixe la position de la sonde pour obtenir une différence de
pression nulle aux bornes du manomètre différentiel au point de vitesse maximale. Ainsi réglé, on place le dispositif au droit de chacune des chambres à contrôler. Si l'indication du manomètre différentiel est nulle le "nombre de swirl" ou le "coefficient de swirl" de la chambre contrôlée sera considéré comme acceptable. A partir des mesures effectuées dans la chambre de référence d'un moteur test, et pour répondre aux multiples interprétations de sa définition de base, la valeur du "nombre de swirl" réel ou approché, la valeur du "coefficient de swirl" usuel des motoristes pourra être affichée. Si en revanche une différence apparaît aux bornes de ce manomètre, le "coeffi¬ cient de swirl" sera forcément différent de celui de la chambre de référence et cette différence pourra constituer un critère de refus dans une chaîne de contrôle.
Dans une variante de réalisation du dispositif de l'invention, il sera possible de quantifier la variation du "nombre de swirl" ou du "coefficient de swirl" usuel en fonction de la variation de pression enregistrée aux bornes du manomètre précédent.
A cet effet, la sonde comprend un troisième canal interne dont le débouché est situé sur la bissectrice de l'angle formé par les axes sécants des débouchés précé¬ dents, et un second manomètre différentiel dont chaque entrée est raccordée respectivement au troisième canal et à l'un des canaux précédents.
Le troisième orifice permet d'obtenir la pression d'arrêt de l'écoulement et le second manomètre différentiel délivre alors une valeur directement liée à la vitesse de l'écoulement au point de mesure. En prenant en compte les propriétés directionnelles de l'instrument de mesure on peut appréhender la variation du "coefficient de swirl" par rapport à sa valeur dans le moteur test.
D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description des exemples de
réalisation donnés ci-après à titre non limitatif
Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un premier mode de réalisation de l'invention dans son utilisation pour le contrôle des moteurs,
- la figure IA est une vue de détail de ce premier mode de réalisation,
- la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un second mode de réalisation de l'invention dans son utilisa¬ tion pour obtenir une valeur quantifiée d'une variable reliée au swirl d'une chambre de combustion,
- la figure 2A illustre un détail de ce mode de réalisation A la figure 1 on a représenté une culasse l qui définit, partiellement, une chambre de combustion 2 dans laquelle aboutit un canal d'admission 3 pourvu d'une soupape 4 Sous la culasse, pour simuler le cylindre du moteur, on a placé une chemise cylindrique 5, fermée à l'une de ses extrémités axiales par la culasse 1 et dont l'autre extrémité axiale est connectée à un aspirateur 6 qui permet lorsqu'il est en service d'engendrer un écoule¬ ment de gaz à l'intérieur de la chemise cylindrique 5 en provenant de l'ouverture d'admission que forme le débouche du canal 3 dans la chambre de combustion 2 autour de la tête de la soupape 4
Le dispositif comporte également une sonde 7 formée par un corps cylindrique allongé à l'intérieur duquel sont ménagés deux canaux 8 et 9 A proximité d'une extrémité de la sonde ces canaux 8 et 9 possèdent un débouché 10, 11 formé chacun par un orifice radial sensi¬ blement perpendiculaire à l'axe longitudinal 12 de la sonde 7 Ces débouchés 10 et 11 sont contenus dans un plan P parallèle à l'axe de la chemise cylindrique 5, et sont orientés de manière que leur axe soit dans ce plan P sécant
au point de leur rencontre avec l'axe longitudinal 12 de la sonde. La figure IA est une coupe de la sonde par le plan P. A une autre extrémité de la sonde 7 les canaux internes 8 et 9 sont reliés à un manomètre différentiel 13. L'extrémité de la sonde pourvue des débouchés 10 et 11 s'étend à l'intérieur du volume délimité par la chemise cylindrique 5 de sorte que la pression qui règne dans ces débouchés est influencée par l'écoulement E engendré dans le cylindre 5 par l'aspirateur 6. En faisant tourner la sonde autour de son axe longitudinal on peut disposer les débouchés 10 et 11 de manière que la pression qui règne dans chacun d'eux soit égale et que le manomètre différentiel 13 soit dans son état équilibré représenté à la figure 1. Cette condition est obtenue lorsque la vitesse V de l'écoulement au point de mesure est orientée selon la bissectrice de l'angle que forme dans le plan P les débouchés 10 et 11.
La vitesse V est un des paramètres qui permet de caractériser le swirl d'un moteur. L'équilibre des pres- sions dans les débouchés 10 et 11 des conduits 8 et 9 obtenu en regard d'une chambre de combustion de référence constitue une valeur repère pour quantifier un coefficient de swirl qualifié de référence puisqu'étant celui calculé dans un moteur de référence à partir des profils de vitesse. Pour procéder à des opérations de contrôle, il suffit donc d'équiper une chemise 5 d'une sonde 7 mise en position de manière identique à celle utilisée pour obtenir la valeur de référence et à placer cette chemise 5 en- dessous de la chambre 2 à vérifier, dans la même orienta- tion angulaire (autour de l'axe de la chemise) par rapport à cette chambre 2 et de constater l'équilibre ou le déséquilibre du manomètre différentiel. La constatation de l'équilibre conduit à décider que la chambre contrôlée est acceptable parce que présentant un coefficient de swirl égal à celui de référence. La constatation d'un déséquili-
bre du manomètre différentiel constitue un critère pouvant conduire sur une ligne de contrôle à déclarer la chambre contrôlée non conforme. Bien entendu il faut que les conditions de contrôle soient strictement identiques aux conditions opératoires réalisées avec la chambre de combustion de référence et il sera pris toutes les précau¬ tions utiles pour que notamment la circulation gazeuse à l'intérieur de la chambre 5 réponde aux mêmes conditions que celles réalisées lors la mesure de référence. A la figure 2, certains des éléments déjà décrits au regard de la figure précédente portent les mêmes références. Dans ce cas la sonde 7 possède un troisième canal interne 14 dont le débouché 15 est situé sur la bissectrice de l'angle que forment, dans le plan P, les débouchés 10 et 11 des canaux 7 et 8. Ce canal 14 est connecté à l'entrée d'un second manomètre différentiel 16, une autre entrée de ce manomètre différentiel étant elle raccordée à l'un des canaux 8 ou 9.
La sonde de la figure 2 peut être réglée, lors- qu'elle est implantée dans la chemise 5, angulairement autour de son axe pour obtenir l'équilibre du manomètre différentiel 13. Dans cet état, le manomètre différentiel 16 indique la pression d'arrêt détectée par le débouché 15, cette pression étant directement liée à la vitesse V de l'écoulement E. La valeur de cette vitesse V n'est pas uniforme selon la position radiale du point de mesure. En effet plus on est près de l'axe de la chemise 5 et plus cette vitesse est faible. En éloignant le point de mesure de cet axe on constate que cette vitesse passe par un maximum pour ensuite décroître compte tenu du fait que la veine gazeuse est, au voisinage de la surface intérieure de la chemise cylindrique 5, freinée par frottement. On peut donc par la sonde de la figure 2 trouver la valeur maximale enregistrée par le manomètre différentiel 16 correspondant donc à la vitesse maximale de la veine gazeuse au point de
mesure.
C'est ainsi que l'on peut déterminer le "nombre de swirl réel" ou le coefficient de swirl classique des motoristes et la position de référence de la sonde à l'égard d'une culasse de référence pour ensuite la repro¬ duire dans un dispositif de contrôle tel que celui repré¬ senté à la figure 1.
On notera que la sonde 7 doit être distante de l'extrémité de la chemise 5 couverte par la culasse d'une valeur au moins égale au double du diamètre intérieur de cette chemise afin d'être à l'extérieur de zones de turbulences secondaires qui sont localisées en haut de la chemise 5.
Par ailleurs, en traitant la valeur de la pres- sion d'arrêt, et connaissant les propriétés directionnelles de la sonde on peut quantifier une variation du swirl dans la section choisie par rapport à sa valeur mesurée en cylindre test. Des études ont montré que cette quantifica¬ tion pouvait prendre en compte des différences existant entre les conditions de l'étalonnage avec une culasse de référence et celles du contrôle en apportant dans le traitement des valeurs relevées des correctifs liés à ces différences. Par exemple alors que l'étalonnage a été réalisé avec une levée de soupape donnée, si les conditions de contrôle sont différentes à l'égard de ce paramètre, la mesure pourra être corrigée afin d'être correctement rapportée à la mesure de référence.
Il faut noter que l'invention permet de manière surprenante de contrôler un paramètre (le swirl) caracté- ristique d'un moteur par une simple mesure ponctuelle alors que la nature même de ce paramètre ne peut conduire 1 ' homme de métier qu'à un instrument de mesure globale c'est-à-dire ayant une fonction d'intégration de la manifestation du paramètre dans une section donnée de la chambre de combus- tion. Il en est résulté un dispositif de très faible
encombrement adapté au contrôle simultané de toutes les chambres d'un moteur.
Claims
1. Dispositif de contrôle et/ou de mesure du tourbillonnement (swirl) dans la chambre de combustion d'un moteur thermique délimité partiellement par une culasse (1) portant des ouvertures d'admission, comportant au moins une chemise cylindrique (5) dont une des extrémités axiales est prévue pour être coiffée par la paroi de la chambre de combustion (2) portée par la culasse (1) du moteur, des moyens (6) pour engendrer une circulation de gaz dans la chemise et à travers au moins une ouverture d'admission, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (7) longitudi¬ nale implantée radialement dans la chemise (5) pourvue d'au moins deux canaux internes (8, 9) séparés, communiquant avec le volume intérieur de la chemise (5) par deux débouchés (10,11) disposés dans un plan (P) parallèle à l'axe de la chemise (5) et, dans ce plan (P) sécants mutuellement et avec l'axe longitudinal (12) de la sonde et un manomètre différentiel (13) dont chaque entrée est raccordée à un canal (8,9) interne respectif de la sonde (7) .
2. Dispositif selon la revendication 1, caracté¬ risé en ce que la sonde (7) comprend un troisième canal interne (14) dont le débouché (15) est situé sur la bissectrice de l'angle formé par les axes sécants des débouchés (10, 11) précédents et un second manomètre différentiel (16) dont chaque entrée est raccordée respec¬ tivement au troisième canal (14) et à l'un des canaux précédents (8, 9) .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'enfoncement radial de la sonde (7) au travers de la chemise (5) est réglable.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la sonde (7) est située à une distance de la culasse (1) au moins égale au double du diamètre de la chemise (5) .
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR9511458A FR2739449B1 (fr) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | Dispositif de controle et/ou de mesure de la turbulence a l'admission dans une chambre de combustion d'un moteur thermique alternatif |
| FR95/11458 | 1995-09-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO1997013153A1 true WO1997013153A1 (fr) | 1997-04-10 |
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Country Status (2)
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| FR (1) | FR2739449B1 (fr) |
| WO (1) | WO1997013153A1 (fr) |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2739449A1 (fr) | 1997-04-04 |
| FR2739449B1 (fr) | 1997-10-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
|
| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
|
| DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |