CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L'INJECTEUR PIEZO ELECTRIQUE

Guillaume Delay

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Chapitre 6 CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L'INJECTEUR PIEZO ELECTRIQUE Les résultats suivants proviennent d'études menées au cours de cette thèse à l'IMFT et de travaux réalisés au laboratoire du CORIA (UMR 6614) à Rouen par C. Dumouchel, J. Cousin, P. Desjonquères et C. Gobin. Cette collaboration inclue aussi SIEMENS VDO -Automotive et EFS Electronique dans le cadre du projet ADEME n± 01 66 P10 intitulé Caractérisation des jets transitoires pour la deuxième génération des moteurs à injection directe essence. Nous tenons à remercier vivement les di?érents partenaires pour leur accord quant à l'utili- sation et la di?usion de leurs travaux. Pour cette raison, nous spéci…erons les sources de chacun des résultats suivants. 6.1 CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES Le spray diphasique généré par l'injecteur piézo-électrique présente une géométrie très par- ticulière due à la conception de l'ori…ce de sortie aussi appelé nez de l'injecteur. L'injection est réalisée au travers d'une ouverture annulaire sans génération de mouvement orthoradial (absence de swirl). L'injection du carburant se fait alors suivant la direction imposée par l'angle dé…ni par la partie …xe et la partie mobile de l'injecteur respectivement appelés corps et aiguille (…gure 6.1). 145

• spray


• observations précédentes concernant l'in‡uence de la pression


• pressions de carburant


• nappe diphasique


• zone de recirculation


• appariement des ligaments initiaux


• caracteristiques du spray de l'injecteur piezo electrique


• in‡uence de la levée d'aiguille sur la structure du spray


• grosses structures

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Nombre de lectures: 76
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Chapitre 6
CARACTERISTIQUES DU SPRAY
DE L’INJECTEUR PIEZO
ELECTRIQUE
Les résultats suivants proviennent d’études menées au cours de cette thèse à l’IMFT et de
travaux réalisés au laboratoire du CORIA (UMR 6614) à Rouen par C. Dumouchel, J. Cousin,
P. Desjonquères et C. Gobin. Cette collaboration inclue aussi SIEMENS VDO -Automotive et
±EFS Electronique dans le cadre du projet ADEME n 01 66 P10 intitulé "Caractérisation des
jets transitoires pour la deuxième génération des moteurs à injection directe essence".
Nous tenons à remercier vivement les di¤érents partenaires pour leur accord quant à l’utili-
sation et la di¤usion de leurs travaux. Pour cette raison, nous spéci…erons les sources de chacun
des résultats suivants.
6.1 CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES
Le spray diphasique généré par l’injecteur piézo-électrique présente une géométrie très par-
ticulière due à la conception de l’ori…ce de sortie aussi appelé nez de l’injecteur.
L’injection est réalisée au travers d’une ouverture annulaire sans génération de mouvement
orthoradial (absence deswirl). L’injection du carburant se fait alors suivant la direction imposée
par l’angle dé…ni par la partie …xe et la partie mobile de l’injecteur respectivement appelés corps
et aiguille (…gure 6.1).
145Chapitre 6. CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L’INJECTEUR PIEZO
ELECTRIQUE
Le déplacement de l’aiguille, qui permet la sortie du carburant, se fait vers l’extérieur, ce
qui classe l’injecteur piézo-électrique dans la catégorie des injecteurs dits à ouverture externe
(outwardopeninginjector,Arndt [2],Seibel [29]).Notonstoutefoisqueletermedelevéed’aiguille
sera utilisé pour quali…er l’espace compris entre l’aiguille et le siège.
Fig. 6.1 – Génération du spray de l’injecteur piézo-électrique
Denombreuxparamètresin‡uentsurlecomportementduspraydel’injecteurpiézo-électrique.
Outrelafréquenceetladuréed’injection,lapressionducarburantàinjecter,lalevéedel’aiguille
ainsi que les conditions thermodynamiques du milieu dans lequel l’injection est réalisée (densité,
température, présence d’un écoulement) sont autant de facteurs in‡uant sur les caractéristiques
géométrique (et physiques) du spray. De manière analogue aux travaux de Vich [71], on peut
dé…nir le spray par l’utilisation des paramètres repérés sur la …gure 6.2 et dé…nis ci-après.
Fig. 6.2 – Grandeurs géométriques caractéristiques du spray de l’injecteur piézo-électrique
Chacune des grandeurs pouvant être évaluée de part ou d’autre de l’axe, ces dernières sont
di¤érenciées par le symbole prime pour les positions symétriques par rapport à l’axe.
1466.2 NATURE DU SPRAY
L’angle du spray (noté ) est dé…ni proche de sa sortie avant d’atteindre la zone de recir-
culation. Le point est le lieu de la première intersection entre l’angle nominal du spray et la
zone de recirculation, le point étant le lieu de la dernière intersection.
Les points , , et caractérisent la zone de recirculation en indiquant respectivement
la distance minimale entre la zone et le nez de l’injecteur (suivant l’axe de l’injecteur), le point
d’épaisseur maximale (normalement au prolongement …ctif de la frontière du spray), le point le
plus éloigné radialement de l’axe du spray et en…n la distance maximale entre la zone et le nez
de l’injecteur (toujours suivant l’axe de l’injecteur).
Le point quant à lui est appelé pénétration et c’est par son suivi temporel qu’est estimée
lavitessedepénétrationduspray.
6.2 NATURE DU SPRAY
6.2.1 Morphologie de la nappe de carburant
Une autre caractéristique très particulière de ce spray est que la forme des structures com-
posant la nappe diphasique dépend fortement de la pression d’injection. La …gure 6.3 sert de
support aux commentaires suivants.
Enraisondelarapiditédesécoulementsvisualisésetdelapetitetailledeschampsd’intérêts,
lesimagessontobtenuesendisposantunesourcelumineusedetypelampe‡ash(Nanolite,société
High-SpeedPhotoSystems)dontladuréedu‡ash(CORIA11 ,IMFT16 )permetdelimiter
fortement le ‡ou de bouger.
L’acquisition des images 6.3 et 6.4 (CORIA) est assurée par un appareil Re‡ex numérique à
haute résolution spatiale (Fuji Digital, 3040¤2016 ) équipé d’une lunette à visée lointaine,
sourcedelumièreetappareilphotoétantdisposésdepartetd’autresdelafrontièreduspray
dans le cas présent.
147
GDIIFEH
v sl{ho
qv qvChapitre 6. CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L’INJECTEUR PIEZO
ELECTRIQUE
Fig. 6.3 – Visualisation de la nappe liquide. Pression d’injection de 20 à 200 bars. Levée mini-
male. Images CORIA, communication personnelle.
Pour des pressions de carburant très faibles ( =20 ), l’écoulement peut être
divisé en trois régions. La première est constituée d’une nappe liquide continue présentant de
nombreuses structures longitudinales appelées ligaments (streaks) reliées entre elles par de très
…ns…lmsliquides.Lescausesdeformationdestsn’estpasencoreclairementétabliemais
semble être liée à la géométrie interne de l’injecteur favorisant un développement d’instabilités
longitudinales dans l’écoulement liquide au sein de l’injecteur (Saric [72]).
La deuxième zone est caractérisée par le développement d’ondes transversales. On pense que
cesontdesinstabilitésdetypeKelvin-Helmoltzqui,s’ampli…ant,déstabilisentprogressivementla
nappeetentraînentunefragmentationcellulairedecettedernière.Certainsligamentss’apparient
alors pour former de plus grosses structures.
La dernière zone de l’écoulement est celle de l’atomisation des structures ordonnées. Cette
atomisation diminue les di¤érences azimutales de concentration liquide subsitant encore et dues
aux grosses structures obtenues après appariement des ligaments initiaux.
L’augmentation de la pression d’injection a pour e¤et d’augmenter le débit de l’injecteur
et donc la vitesse du liquide en sortie. Les instabilités se développent plus précocement et plus
violemment. La distance entre première et deuxième partie de la nappe diminue, au même titre
d’ailleurs que la taille de la zone de fragmentation cellulaire.
148
S
h fwlrq lq mv edu6.2 NATURE DU SPRAY
Pour une pression d’injection de 50 , les trois régions sont encore identi…ables. Il est
di¢cile de les distinguer à des pressions supérieures, le spray étant alors uniquement constitué
de nombreux ligaments. Ces derniers sont initialement reliés çà et là par des nappes liquides
conduisant à la création de petites gouttes lors de leur désintégration.
La persistance des ligaments au delà de la zone de transition est d’autant plus prononcée
que la pression est élevée en raison de l’énergie cinétique croissante qui leur est conférée. Leur
nombre est variable en fonction de la pression d’injection et de la levée mais il reste compris
entre 150 et 400.
Le deuxième paramètre in‡uant sur le spray est la consigne de levée d’aiguille (16 valeurs de
20 à 36 , réglage sur le calculateur). Les observations précédentes concernant l’in‡uence de la
pression sont transposables de la plus faible à la plus forte levée d’aiguille en prenant en compte
que l’augmentation de la levée se traduit par une déstructuration de l’écoulement (atténuation
de la cohérence des ligaments, …gure 6.4).
Les points de fonctionnement retenus pour les études de l’entraînement d’air du chapitre
suivantontétéréalisésavecleniveaudelevéeintermédiaireetdespressionsd’injectioncomprises
entre 50 et 200 , paramètres pour lesquels les ligaments sont toujours bien discernables.
Fig. 6.4 – In‡uence de la levée d’aiguille sur la structure du spray. Levée minimale (haut) et
maximale (bas); pressions d’injection de 20 (gauche), 110 (centre) et 200 bars (droite). Images
CORIA, communication personnelle.
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v edu
p
v eduChapitre 6. CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L’INJECTEUR PIEZO
ELECTRIQUE
La considération de vues plus générales du spray nous conduit aux mêmes conclusions que
celles obtenues pour des champs plus réduits. Ainsi, l’image 6.5 que nous avons obtenue par
disposition de part et d’autre du spray d’un ‡ash "long" et d’une caméra numérique 12
Sensicam PCO est particulièrement intéressante.
Malgré le ‡ou de bouger dû à la trop longue durée du ‡ash utilisé, on remarque un trou
dans la nappe du spray. Ce vide est présent depuis la sortie du liquide jusqu’à la pénétration
maximaleduspray.Cephénomèneestce