FR2910624A1 - Test bench for studying friction and wear out phenomenon of internal component of heat engine, has force sensor delivering signals representing constraints subjected by cylinder block and cylinder head, during functioning of bench - Google Patents

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Abstract

The bench (10) has a monocylinder heat engine model (14) including a body and a piston (24) that is moved with respect to the body. The body includes two components such as cylinder block (16) and cylinder head (18). A force sensor is interposed between the components and delivers signals representing constraints subjected by the components, during functioning of the bench, where the sensor is in the form of a proving ring.

Description

1 Banc d'essai de mesures tribologiques La présente invention concerne unThe invention relates to a tribological test stand.

banc d'essai destiné à étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes d'un moteur thermique.  test bench intended to study the friction and wear phenomena of the internal constituents of a heat engine.

Les industries automobiles sont actuellement confrontées à deux dé- fis majeurs : - la préservation des ressources énergétiques ; et - la protection de l'environnement. Pour relever ces défis, une des voies les plus efficaces est la réduc- tion de la consommation de carburant des véhicules de transport terrestres. En effet, la réduction de consommation globale de carburant contribue à réduire les émissions des produits de combustion des moteurs, et ce d'une manière plus efficace que toutes les opérations de post-traitement. Pour réduire cette consommation, une des méthodes les plus effica- ces et à un coût relativement modéré est la réduction des pertes mécaniques par frottement, et ce principalement dans les moteurs qui constituent l'un des postes majeurs de ces pertes. On connaît dans l'état de la technique des dispositifs qui permettent d'étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes des moteurs thermiques. Certaines caractérisations de ces phénomènes sont testées sur banc d'essai monocylindre, dont le principe consiste à apprécier la dégradation des pièces mécaniques internes en contact (segments, piston et chemise) lors de leur mise en rotation sur un cycle donné. Cependant, les résultats obtenus sont exclusivement basés sur l'usure comparative des surfaces en contact par mesures métrologiques avant et après essai. De plus, la mise en œuvre d'une campagne d'essai de ce type nécessite : - la dégradation de nombreuses pièces spécifiques coûteuses ; - plusieurs centaines d'heures de fonctionnement du banc ; et - des mesures métrologiques délicates, souvent inférieures au pm.  The automotive industries are currently facing two major challenges: - the preservation of energy resources; and - the protection of the environment. To overcome these challenges, one of the most effective ways is to reduce the fuel consumption of land transport vehicles. In fact, the reduction in overall fuel consumption contributes to reducing the emissions of engine combustion products in a more efficient manner than all post-processing operations. To reduce this consumption, one of the most efficient and relatively low cost methods is the reduction of frictional mechanical losses, mainly in the motors which constitute one of the major items of these losses. In the state of the art, devices are known that make it possible to study the friction and wear phenomena of the internal constituents of the heat engines. Some characterizations of these phenomena are tested on a single-cylinder test bench, the principle of which consists in appreciating the degradation of the internal mechanical parts in contact (segments, piston and liner) during their rotation on a given cycle. However, the results obtained are exclusively based on the comparative wear of the contacting surfaces by metrological measurements before and after the test. In addition, the implementation of a test campaign of this type requires: - the degradation of many expensive specific parts; - several hundred hours of operation of the bench; and - delicate metrological measurements, often lower than the pm.

2910624 2 Ainsi, ce type de banc n'autorise pas une compréhension fine des phénomènes d'usure, la mesure et le suivi de la dégradation des pièces et du frottement étant impossibles en fonctionnement. L'invention a pour but de proposer un banc qui permette de mesurer 5 en temps réel les efforts de frottement générés sur l'attelage mobile (segments, piston et chemise) et de suivre ainsi la dégradation des pièces en dynamique. A cet effet, l'invention a pour objet un banc d'essai destiné à étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur comprenant une carcasse, un embiellage et un piston mobiles par rapport à la carcasse, la carcasse comportant au moins deux constituants, et en ce qu'il comprend un capteur d'effort interposé entre les deux constituants et adapté pour délivrer, lors du fonctionnement du banc, des signaux représentatifs des contraintes 15 subies par lesdits constituants. Le banc d'essai selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les deux constituants sont liés l'un à l'autre seulement par le capteur d'effort ; 20 - les deux constituants comprennent un bloc cylindre et une culasse ; - le capteur d'effort comporte un premier anneau et un deuxième anneau reliés entre eux par des cellules de charge, et des moyens de fixation des premier et deuxième anneaux sur le bloc cylindre et la culasse respectivement ; 25 - les cellules de charge sont de type piézo-électrique ; - les cellules de charge sont angulairement réparties entre les premier et deuxième anneaux de façon régulière ; - lesdits moyens de fixation comprennent des vis ; - le moteur comprend un premier prolongement cylindrique creux so- 30 lidaire du bloc cylindre et un deuxième prolongement cylindrique solidaire de la culasse et engagé dans le premier prolongement, la longueur d'engagement et l'espace radial des premier et deuxième prolongements 2910624 3 étant adaptés pour limiter la fuite d'air produite lors de la phase de compression du moteur ; - la longueur d'engagement est sensiblement comprise entre 5 mm et 25 mm et l'espace radial est sensiblement compris entre 5 pm et 25 pm ; et 5 - il comprend des moyens adaptés pour traiter et visualiser les si- gnaux issus du capteur d'effort. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : 10 - la Figure 1 est une vue schématique en coupe verticale longitudi- nale d'un banc d'essai selon l'invention ; et - la Figure 2 est une vue en perspective du capteur d'effort du banc de la Figure 1. La Figure 1 représente un banc d'essai 10 formé d'un socle rigide 12, 15 couramment désigné par marbre , et d'une maquette de moteur thermi- que monocylindre 14 reposant sur le socle 12. La maquette de moteur 14 comporte une carcasse formée d'un support 15, d'un bloc cylindre 16 et d'une culasse 18 solidaires du support 15. Le bloc cylindre 16 délimite un unique cylindre 20 entouré par une chemise 20 22 frettée dans le bloc cylindre 16 et dans laquelle est monté coulissant un piston 24. Une chambre de combustion 26 est ainsi délimitée entre la culasse 18 et le piston 24 dans le cylindre 20. Le piston 24 est muni de trois segments 28 et est raccordé, par l'intermédiaire d'une bielle 30, à un vilebrequin 32 monté rotatif par rapport 25 au support 15 de la carcasse. Des moyens propres à mettre en rotation le vilebrequin 32, tels qu'un moteur électrique 34 équipé d'une courroie 36 reliée au vilebrequin 32, sont prévus sur le socle 12, à proximité de la maquette de moteur 14. Le banc d'essai 10 comprend un capteur d'effort 38 monté sur la maquette de moteur 14 et adapté pour délivrer, lors du fonctionnement du banc 10, des signaux représentatifs des efforts subis par les constituants internes du moteur 14, à savoir la chemise 22, le piston 24 et les segments 28.Thus, this type of bench does not allow a detailed understanding of the phenomena of wear, measurement and monitoring of the degradation of parts and friction being impossible in operation. The object of the invention is to propose a bench which makes it possible to measure in real time the friction forces generated on the moveable coupling (segments, piston and liner) and to thus follow the degradation of the parts in dynamic mode. For this purpose, the subject of the invention is a test bench intended to study the friction and wear phenomena of the internal constituents of a heat engine, characterized in that it comprises a motor comprising a carcass, a crankshaft and a piston movable relative to the carcass, the carcass comprising at least two components, and in that it comprises a force sensor interposed between the two components and adapted to deliver, during the operation of the bench, signals representative of the constraints; Undergone by said constituents. The test bench according to the invention may comprise one or more of the following characteristics: the two constituents are connected to each other only by the force sensor; Both components comprise a cylinder block and a cylinder head; - The force sensor comprises a first ring and a second ring interconnected by load cells, and means for fixing the first and second rings on the cylinder block and the yoke respectively; The load cells are of the piezoelectric type; the load cells are angularly distributed between the first and second rings in a regular manner; said fixing means comprise screws; the engine comprises a first solid hollow cylindrical extension of the cylinder block and a second cylindrical extension integral with the cylinder head and engaged in the first extension, the engagement length and the radial space of the first and second extensions being adapted to limit the leakage of air produced during the compression phase of the engine; the engagement length is substantially between 5 mm and 25 mm and the radial space is substantially between 5 μm and 25 μm; and 5 - it comprises means adapted to process and visualize the signals from the force sensor. The invention will be better understood on reading the description which will follow, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic view in longitudinal vertical section; nale of a test bench according to the invention; and FIG. 2 is a perspective view of the force sensor of the bench of FIG. 1. FIG. 1 represents a test bench 10 formed of a rigid base 12, 15 commonly designated by marble, and a model of a single-cylinder thermal engine 14 resting on the base 12. The engine model 14 comprises a carcass formed of a support 15, a cylinder block 16 and a yoke 18 secured to the support 15. The cylinder block 16 defines a single cylinder 20 surrounded by a shrouded sleeve 22 in the cylinder block 16 and in which is slidably mounted a piston 24. A combustion chamber 26 is thus delimited between the cylinder head 18 and the piston 24 in the cylinder 20. The piston 24 is provided with three segments 28 and is connected, via a connecting rod 30, to a crankshaft 32 rotatably mounted relative to the support 15 of the carcass. Means adapted to rotate the crankshaft 32, such as an electric motor 34 equipped with a belt 36 connected to the crankshaft 32, are provided on the base 12, near the engine model 14. The test bench 10 comprises a force sensor 38 mounted on the engine model 14 and adapted to deliver, during operation of the bank 10, signals representative of the forces experienced by the internal components of the engine 14, namely the jacket 22, the piston 24 and the segments 28.

2910624 4 Le capteur d'effort 38 est interposé entre le bloc cylindre 16 et la culasse 18, et constitue la seule liaison entre ces deux pièces. Le capteur d'effort est conçu comme un anneau dynamométrique comportant un premier anneau 40, ou anneau inférieur, et un deuxième an- 5 neau 42, ou anneau supérieur. L'anneau inférieur 40 est fixé en périphérie du bloc cylindre 16 au moyen, par exemple, de six vis 44 disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 60 . Les vis 44 sont engagées dans une collerette extérieure 45 du bloc cylindre 16.The force sensor 38 is interposed between the cylinder block 16 and the yoke 18, and is the only connection between these two parts. The force sensor is designed as a torque ring having a first ring 40, or lower ring, and a second ring 42, or upper ring. The lower ring 40 is fixed peripherally to the cylinder block 16 by means of, for example, six screws 44 arranged relative to each other at an angle of 60. The screws 44 are engaged in an outer flange 45 of the cylinder block 16.

10 De même, l'anneau supérieur 42 est fixé en périphérie de la culasse 18 au moyen, par exemple, de six vis 46 disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 60 . La seule liaison mécanique entre les anneaux inférieur et supérieur 40, 42 est assurée par trois cellules de charge piézo-électriques triaxes 48 15 insérées entre les deux anneaux 40, 42. Comme le montre la Figure 2, les trois cellules 48 sont disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 120 . Afin de préserver au maximum l'étanchéité de la chambre de combustion 26, la maquette de moteur 14 comprend un premier prolongement 20 cylindrique creux 50 solidaire du bloc cylindre 16 et un deuxième prolonge-ment cylindrique 52 solidaire de la culasse 18. Plus précisément, le premier prolongement 50 est fixé sur le dessus du bloc cylindre 16 par quatre vis 53 disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 90 .Likewise, the upper ring 42 is fixed at the periphery of the yoke 18 by means of, for example, six screws 46 arranged relative to each other at an angle of 60. The only mechanical connection between the lower and upper rings 40, 42 is provided by three triaxial piezoelectric load cells 48 inserted between the two rings 40, 42. As shown in FIG. 2, the three cells 48 are arranged one relative to the other at an angle of 120. In order to preserve as much as possible the tightness of the combustion chamber 26, the engine model 14 comprises a first hollow cylindrical extension 50 integral with the cylinder block 16 and a second cylindrical extension 52 integral with the cylinder head 18. More specifically, the first extension 50 is fixed on top of the cylinder block 16 by four screws 53 arranged relative to each other at an angle of 90.

25 De même, le deuxième prolongement 52 est fixé au-dessous de la culasse 18 par quatre vis (non représentées) disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 90 . Les premier et deuxième prolongements 50, 52 sont imbriqués l'un dans l'autre sans contact avec un jeu radiale minimal par rapport à l'axe Z 30 du cylindre 20, de telle sorte qu'ils sont adaptés pour limiter la fuite d'air pro-duite lors de la phase de compression du moteur 14.Similarly, the second extension 52 is fixed below the yoke 18 by four screws (not shown) arranged relative to each other at an angle of 90. The first and second extensions 50, 52 are nested one inside the other without contact with a minimum radial clearance with respect to the Z axis of the cylinder 20, so that they are adapted to limit the leakage of air pro-ducted during the compression phase of the engine 14.

2910624 5 La longueur d'engagement L des premier et deuxième prolongements 50, 52 est sensiblement comprise entre 5 mm et 25 mm, de préférence sensiblement égal à 15mm. L'espace radial e entre les premier et deuxième prolongements 50, 5 52 est sensiblement compris entre 5 pm et 25 pm, de préférence sensible-ment égal à 15 pm. Des moyens 54 adaptés pour traiter les signaux issus du capteur d'effort 38 et permettre à un opérateur de visualiser ces signaux sont prévus sur le banc d'essai 10. Les moyens 54 comprennent par exemple un boîtier 10 de sommation, trois amplificateurs de charge et un oscilloscope ou une carte d'acquisition intégrée à un ordinateur (non représentés). Un accéléromètre 56 solidaire du bloc cylindre 16 ainsi qu'un capteur de pression 58 solidaire de la culasse 18 sont également prévus pour fournir à l'opérateur des informations supplémentaires concernant le moteur 14.The engagement length L of the first and second extensions 50, 52 is substantially between 5 mm and 25 mm, preferably substantially equal to 15 mm. The radial space e between the first and second extensions 50, 52 is substantially between 5 μm and 25 μm, preferably substantially 15 μm. Means 54 adapted to process the signals from the force sensor 38 and allow an operator to view these signals are provided on the test stand 10. The means 54 comprise for example a summation box 10, three charge amplifiers and an oscilloscope or an acquisition card integrated into a computer (not shown). An accelerometer 56 integral with the cylinder block 16 and a pressure sensor 58 integral with the yoke 18 are also provided to provide the operator with additional information concerning the engine 14.

15 Lors du fonctionnement du banc d'essai 10, un opérateur actionne le moteur électrique 34 afin de mettre en rotation le vilebrequin 32 par l'intermédiaire de la courroie 36. La rotation du vilebrequin 32 entraîne le coulissement du piston 24 dans le cylindre 20 suivant l'axe Z.During operation of the test stand 10, an operator actuates the electric motor 34 to rotate the crankshaft 32 through the belt 36. The rotation of the crankshaft 32 causes the piston 24 to slide in the cylinder 20 along the Z axis.

20 Les efforts subis par la chemise 22, et donc par le bloc cylindre 16, sont transmis au capteur d'effort 38. Les trois cellules triaxes 48 délivrent alors chacune trois signaux représentatifs des contraintes subies par la chemise 22, lesquels signaux sont acheminés vers le boîtier de sommation puis vers les trois amplificateurs de 25 charge via des câbles haute isolation. Les signaux en sortie des amplificateurs sont ensuite traités par l'oscilloscope ou par la carte d'acquisition électronique intégrée à l'ordinateur. Une macro-tâche d'un tableur permet enfin à l'opérateur de visualiser 30 les signaux d'effort sur la chemise 22, sur les trois axes et en temps réel. Le banc d'essai selon l'invention permet donc de mesurer les efforts de frottement et de suivre la dégradation des pièces mécaniques internes en contact d'un moteur thermique lors du fonctionnement du moteur.The forces experienced by the jacket 22, and therefore by the cylinder block 16, are transmitted to the force sensor 38. The three triaxial cells 48 then each deliver three signals representative of the stresses to which the jacket 22 is subjected, which signals are routed towards the summing box then to the three load amplifiers via high insulation cables. The output signals of the amplifiers are then processed by the oscilloscope or by the electronic acquisition card integrated into the computer. A macro-task of a spreadsheet finally allows the operator to view the force signals on the liner 22, on the three axes and in real time. The test bench according to the invention thus makes it possible to measure the friction forces and to follow the degradation of the internal mechanical parts in contact with a heat engine during operation of the engine.

2910624 6 Les intérêts techniques et économiques liés à l'utilisation du banc d'essai selon l'invention sont évidents dans le sens où ce dernier permet la caractérisation et la validation du gain éventuel des dispositifs visant à réduire les frottements des constituants internes d'un moteur thermique.The technical and economic interests related to the use of the test bench according to the invention are obvious in the sense that the latter allows the characterization and the validation of the possible gain of the devices intended to reduce the friction of the internal constituents of the invention. a heat engine.

5 En permettant de qualifier rapidement et à moindre coût l'aptitude au frottement : - des états de surface ; - de la géométrie des pièces ; - des matériaux et des revêtements ; 10 - des lubrifiants, etc... ce banc d'essai constitue donc un véritable outil d'investigation et de recherche dans le domaine de l'usure et des phénomènes tribologiques. Les enjeux pour les industries automobiles sont : - un gain potentiel en frottement ; 15 - un gain de consommation de carburant ; - le respect des normes anti-pollution ; et - l'augmentation de la durée de vie des véhicules automobiles.By making it possible to rapidly and inexpensively qualify the rubbing ability: surface conditions; - the geometry of the pieces; - materials and coatings; 10 - lubricants, etc ... This test bench is therefore a real tool for investigation and research in the field of wear and tribological phenomena. The stakes for the automotive industries are: - a potential gain in friction; A gain in fuel consumption; - compliance with anti-pollution standards; and - the increase in the life of motor vehicles.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Banc d'essai (10) destiné à étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (14) comprenant une carcasse, un embiellage (30, 32) et un piston (24) mobiles par rapport à la carcasse, la carcasse comportant au moins deux constituants (16, 18), et en ce qu'il comprend un capteur d'effort (38) interposé entre les deux constituants (16, 18) et adapté pour délivrer, lors du fonctionnement du banc (10), des signaux représentatifs des contraintes subies par lesdits constituants (16, 18).  1. Test bench (10) intended to study the friction and wear phenomena of the internal constituents of a heat engine, characterized in that it comprises a motor (14) comprising a carcass, a linkage (30, 32 ) and a piston (24) movable relative to the carcass, the carcass comprising at least two components (16, 18), and in that it comprises a force sensor (38) interposed between the two components (16, 18) and adapted to deliver, during operation of the bank (10), signals representative of the stresses on said components (16, 18). 2. Banc d'essai (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux constituants (16, 18) sont liés l'un à l'autre seulement par le capteur d'effort (38).  2. Test bench (10) according to claim 1, characterized in that the two components (16, 18) are connected to each other only by the force sensor (38). 3. Banc d'essai (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux constituants (16, 18) comprennent un bloc cylindre (16) et une culasse (18).  3. Test bench (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the two components (16, 18) comprise a cylinder block (16) and a cylinder head (18). 4. Banc d'essai (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur d'effort (38) comporte un premier anneau (40) et un deuxième anneau (42) reliés entre eux par des cellules de charge (48), et des moyens de fixation (44, 46) des premier et deuxième anneaux (40, 42) sur le bloc cylin- dre (16) et la culasse (18) respectivement.  4. Test bench (10) according to claim 3, characterized in that the force sensor (38) comprises a first ring (40) and a second ring (42) interconnected by load cells (48). ), and fastening means (44, 46) of the first and second rings (40, 42) on the cylinder block (16) and the yoke (18) respectively. 5. Banc d'essai (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cellules de charge (48) sont de type piézo-électrique.  5. Test bench (10) according to claim 4, characterized in that the load cells (48) are of the piezoelectric type. 6. Banc d'essai (10) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les cellules de charge (48) sont angulairement réparties entre les pre-mier et deuxième anneaux (40, 42) de façon régulière.  6. Test bench (10) according to claim 4 or 5, characterized in that the load cells (48) are angularly distributed between the first and second rings (40, 42) regularly. 7. Banc d'essai (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation (44, 46) comprennent des vis.  7. Test bench (10) according to any one of claims 4 to 6, characterized in that said fixing means (44, 46) comprise screws. 8. Banc d'essai (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le moteur (14) comprend un premier prolongement cylindrique creux (50) solidaire du bloc cylindre (16) et un deuxième prolongement cylindrique (52) solidaire de la culasse (18) et engagé dans le premier prolongement (50), la longueur d'engagement (L) et l'espace radial (e) 2910624 8 des premier et deuxième prolongements (50, 52) étant adaptés pour limiter la fuite d'air produite lors de la phase de compression du moteur (14).  8. test bench (10) according to any one of claims 3 to 7, characterized in that the motor (14) comprises a first hollow cylindrical extension (50) integral with the cylinder block (16) and a second cylindrical extension (52) integral with the yoke (18) and engaged in the first extension (50), the engagement length (L) and the radial space (e) 2910624 8 of the first and second extensions (50, 52) being adapted to limit the air leak produced during the compression phase of the engine (14). 9. Banc d'essai (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la longueur d'engagement (L) est sensiblement comprise entre 5 mm et 25 mm 5 et l'espace radial (e) est sensiblement compris entre 5 pm et 25 pm.  9. Test bench (10) according to claim 8, characterized in that the engagement length (L) is substantially between 5 mm and 25 mm and the radial space (e) is substantially between 5 pm and 25 pm. 10. Banc d'essai (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (54) adaptés pour traiter et visualiser les signaux issus du capteur d'effort (38).  10. test bench (10) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises means (54) adapted to process and view the signals from the force sensor (38).
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