FR2739449A1 - DEVICE FOR MONITORING AND / OR MEASURING THE TURBULENCE TO THE INTAKE IN A COMBUSTION CHAMBER OF AN RECIPROCATING ENGINE - Google Patents

Abstract

A device comprising at least one cylindrical liner (5) of which one axial end is covered by the wall of the combustion chamber (2) in the cylinder head (1) of the engine, means (6) for generating a gas flow in the liner through at least one inlet, a longitudinal probe (7) radially inserted through the liner (5) and provided with at least two separate internal channels (8, 9) communicating with the space inside the liner (5) via two apertures that lie in a plane (P) parallel to the axis of the liner (5) and intersect one another and the longitudinal probe axis in said plane (P), as well as a differential pressure gauge (13) of which each inlet is connected to a respective internal channel (8, 9) of the probe (7).

Description

Dans le domaine des moteurs alternatifs à combustion 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. In the field of reciprocating internal combustion engines (diesel or petrol) 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.

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 turbulence, 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. Studies have shown that the quality of the mixture is directly linked to the field of velocity of the flow in the combustion chamber at suction and in particular to the rotary component of this field. This rotation, or turbulence, is called a swirl "and we know how to characterize this swirl by a swirl coefficient" used by manufacturers in particular for the control of each engine by comparison with a reference coefficient obtained on a reference engine (cylinder head).

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. One of the devices used to obtain and compare these coefficients is a torquemeter comprising a rotating structure (reel or honeycomb) placed in a gas inlet flow through the cylinder head intake openings equipped corresponding valves, channeled under the cylinder head in a cylindrical jacket where the rotating body is located. This device has many disadvantages. First of all, it is impossible for it to characterize a swirl quantitatively because of its very design, which implies simplifications and approximations of the parameters taken into account. In addition, the presence of this rotating body in the entire section of the gas stream generates a significant disturbance thereof which significantly distorts the result obtained. Finally it is a bulky device which does not allow testing the all the chambers of an engine (of a cylinder head) in a single operation, the centers of the chambers being too small to accommodate as many devices as there are chambers.

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'obtenir le coefficient de swirl des appareils actuels, donc de s'y substituer dans les opérations comparatives de contrôle, 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 perturbation négligeable dans l'écoulement observé. By the invention there is provided another device which allows, because of a much smaller footprint, to be located in the space defined by the centers of the chambers and which makes it possible to control an entire cylinder head in a single surgery. While allowing to obtain the swirl coefficient of current devices, therefore to replace it in the comparative control operations, it has the advantage of allowing the determination of the number of real swirl as well as all the approximate definitions which have been established in the literature. Finally, it has the advantage of only introducing a negligible disturbance in the observed flow.

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 différentiel dont chaque entrée est raccordée à un canal interne respectif de la sonde. To this end, 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.

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 dif 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 "coefficient 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.The probe in question functions like a tube of
Pitot. 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 zero pressure difference across the terminals of the differential dif manometer 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 with multiple interpretations of its basic definition, the value of the actual or approximate "number of swirls", 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 pressure gauge, the "swirl coefficient" will necessarily be different from that of the reference chamber and this difference could constitute a refusal criterion in a control chain.

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. In an alternative embodiment of the device of the invention, it will be possible to quantify the variation in the usual "number of swirls" or in the "swirl coefficient" as a function of the pressure variation recorded at the terminals of the previous pressure gauge.

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 précédents, et un second manomètre différentiel dont chaque entrée est raccordée respectivement au troisième canal et à l'un des canaux précédents. To this end, the probe comprises a third internal channel, the outlet of which is situated 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 the one of the previous channels.

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. 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. By taking into account the directional properties of the measuring instrument we can understand the variation of the "swirl coefficient" compared to its value in the test engine.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description des exemples de réalisation donnés ci-après à titre non iimitatif.  Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description of the exemplary embodiments given below without implied limitation.

I1 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 1A 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 utilisation 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.Reference will be made to the accompanying drawings, among which
FIG. 1 is a functional diagram of a first embodiment of the invention in its use for the control of motors,
FIG. 1A 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,
- Figure 2A illustrates a detail of this embodiment.

A la figure 1 on a représenté une culasse 1 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'vil est en service d'engendrer un écoulement de gaz à l'intérieur de la chemise cylindrique 5 en provenant de l'ouverture d'admission que forme le débouché du canal 3 dans la chambre de combustion 2 autour de la tête de la soupape 4. FIG. 1 shows a cylinder head 1 which partially defines a combustion chamber 2 into which an intake channel 3 provided with a valve 4 terminates. Under the cylinder head, to simulate the cylinder of the engine, we have placed a cylindrical jacket 5, 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 it is in service, to generate a flow of gas inside of 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.

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 sensiblement 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 ae ieur rencontre avec l'axe longitudinal 12 de la sonde. La figure 1A 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.The device also comprises 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 a radial orifice 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 intersecting at the point where they meet the longitudinal axis 12 of the probe. Figure 1A is a section of the probe by the plane
P. At another end of the probe 7 the internal channels 8 and 9 are connected to a differential pressure gauge 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.The end of the probe provided with outlets 10 and 11 extends inside the volume delimited by the cylindrical jacket 5 so that the pressure which prevails in these outlets is influenced by the flow E generated in the cylinder 5 by the vacuum cleaner 6. By rotating the probe around its longitudinal axis, 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 at Figure 1. This condition is obtained when the speed
V of the flow at the measuring point is oriented along the bisector of the angle formed in the plane P by the outlets 10 and 11.

Comme cela sera évoqué plus loin, la vitesse V est un des paramètres qui permet de caractériser le swirl d'un moteur. L'équilibre des pressions 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 orientation 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. As will be discussed below, speed V is one of the parameters that characterizes the swirl of an engine. The pressure balance in the outlets 10 and 11 of the conduits 8 and 9 obtained opposite a reference combustion chamber constitutes a reference value for quantifying a swirl coefficient qualified as reference since being that calculated in a reference engine from speed profiles. To carry out control operations, it is therefore sufficient to equip a jacket 5 with a probe 7 positioned in the same way as that used to obtain the reference value and to place this jacket 5 below the chamber 2 to check, in the same angular orientation (around the axis of the jacket) with respect to this chamber 2 and to note the balance or the imbalance of the differential pressure gauge.

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 consta tation d'un déséquilibre du manomètre différentiel constitue un critère pouvant conduire sur une ligne de contrôle à déclarer de 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 précautions utiles pour que notamment la circulation gazeuse à l'intérieur de la chambre 5 réponde aux mêmes conditions que celle réalisée lors la mesure de référence.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 finding of an imbalance in the differential pressure gauge constitutes a criterion which may lead to a control line being declared by the controlled room to be non-compliant. Of course, the control conditions must be strictly identical to the operating conditions carried out with the reference combustion chamber, and all the necessary precautions will be taken so that in particular the gas circulation inside the chamber 5 meets the same conditions as that performed during the reference measurement.

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. In Figure 2, some of the elements already described with regard to the previous figure have the same references. In this case, 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.

La sonde de la figure 2 peut être réglée, lorsqu'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 ia vitesse maximale de la veine gazeuse au point de mesure.  The probe of FIG. 2 can be adjusted, when it is implanted in the jacket 5, angularly around its axis to obtain the balance of the differential pressure gauge 13. In this state, the differential pressure gauge 16 indicates the detected stop pressure via 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. By moving the measurement point away from this axis, it can be seen that 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. by the probe of FIG. 2 find the maximum value recorded by the differential pressure gauge 16 therefore corresponding to the maximum speed of the gas stream at the measurement point.

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 reproduire dans un dispositif de contrôle tel que celui représenté à la figure 1. This is how we can determine the "real swirl number" or the classic swirl coefficient of engine manufacturers and the reference position of the probe with respect to a reference cylinder head and then reproduce it in a device. such as that shown in Figure 1.

Par ailleurs, en traitant la valeur de la pression 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. Furthermore, by processing the value of the stop pressure, and knowing the directional properties of the probe, it is possible to quantify a variation of the swirl in the chosen section with respect to its value measured in the test cylinder.

Enfin, 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.  Finally, it will be noted that 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 turbulence which are located at the top of the folder 5.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle et/ou de mesure de la turbulence (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) 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 (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) .  1. Device for controlling and / or measuring turbulence (swirl) in the combustion chamber of a heat engine partially delimited by a cylinder head (1) carrying intake openings, comprising at least one cylindrical jacket (5) one of the axial ends of which is intended to be capped by the wall of the combustion chamber (2) carried by the cylinder head (1) of the engine, means (6) for generating a circulation of gas in the jacket and through at least an intake opening, characterized in that it comprises a longitudinal probe (7) located radially in the jacket (5) provided with at least two separate internal channels (8, 9), communicating with the interior volume of the jacket (5) by two outlets (10,11) arranged in a plane (P) parallel to the axis of the jacket (5) and, in this plane (P) intersecting each other and with the longitudinal axis (12) of the probe and a differential pressure gauge (13) each input of which is connected to a cana l (8,9) respective internal of the probe (7). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 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 respectivement au troisième canal (14) et à l'un des canaux précédents (8, 9). 2. Device according to claim 1, characterized in that the probe (7) comprises a third internal channel (14) whose outlet (15) is located on the bisector of the angle formed by the intersecting axes of the outlets (10, 11) above and a second differential pressure gauge (16), each input of which is connected respectively to the third channel (14) and to one of the preceding channels (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. 3. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the radial depression of the probe (7) through the jacket (5) is adjustable. 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).  4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the probe (7) is located at a distance from the cylinder head (1) at least equal to twice the diameter of the jacket (5).