CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L'INJECTEUR PIEZO ELECTRIQUE

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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


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Source : ethesis.inp-toulouse.fr
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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.
149
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.Cephénomèneestcertainementdûàlaprésenced’uneimpuretédansl’ori…ce
d’injection en dépit d’une …ltration à 5 .
Fig. 6.5 – Visualisation de la structure de la nappe du spray lors d’une interruption de la nappe
liquide par des impuretés. Pression d’injection de 50 bars, levée intermédiaire.
Cet heureux incident permet de distinguer les trois zones de l’écoulement en supprimant
un des deux côtés du cône. On distingue tout d’abord la nappe liquide continue constituée de
nombreux ligaments dont certains plus marqués que les autres en raison de la géométrie interne
de l’injecteur utilisé (guides de l’aiguille).
150
p
elwv6.2 NATURE DU SPRAY
Les ondes transversales déstabilisent alors le spray qui se déstructure et s’épaissit de manière
notable en raison de l’arrachement de gouttelettes. En…n, les ligaments persistent jusqu’à la
pénétration maximale, ici de l’ordre de 20 .
L’apparition de ces ligaments est un phénomène présentant une très grande répétabilité.
La …gure 6.6 permet de comparer une image instantanée extraite d’une série de 20 réalisations
utilisées pour déterminer la forme moyenne du spray. La similitude de la réalisation et de la
moyenne est remarquable, chaque ligament présent sur l’image instantanée étant identi…able sur
la moyenne. Les variation de position et de pénétration de la zone …nale du spray (comprise
ici entre 35 et 45 )sontrelativementfaibles,l’écarttypemoyenétantde7%(9%au
maximum).
Fig. 6.6 – Visualisation globale du spray. Image instantanée (gauche), moyenne sur 20 réalisa-
tions et écart-type (droite). Pression d’injection de 100 bars, retard de 0,7 ms après le début de
l’injection, levee intermédiaire.
6.2.2 Granulometrie
Les résultats suivants de granulométrie du spray proviennent de mesures réalisées par les
services de SIEMENS-VDO Automotive Pisa, Italie et communiquées par M Marco Salvini.
La granulométrie a été obtenue par un appareil de caractérisation industrielle de type MAL-
VERN qui génère un faisceau laser traversant de part en part le spray. Les mesures obtenues
sont donc intégrées sur toute la longueur de croisement entre le faisceau et le spray, contraire-
ment aux mesures par Analyseur de Phase Doppler (PDA) qui sont dites "locales" en raison de
la taille réduite du volume de mesure. La zone de mesure se situe à longueur de pénétration de
10 mm, suivant un diamètre et dans un plan perpendiculaire à l’axe du spray.
151
pp
ppChapitre 6. CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L’INJECTEUR PIEZO
ELECTRIQUE
On présente les résultats à l’aide d’une variable globale usuelle, le diamètre moyen de Sauter,P 3
P= . Le diamètre moyen de Sauter diminue fortement avec la pression d’injection entre32 2
50 et 150 bars (chute de 50 %). Par la suite, le diamètre varie toujours en fonction de la pression
d’injectionmaisdemanièremoinsforte,cequiconstitueunrésultatclassiquepourdesinjecteurs
automobiles (Berg [56], Wigley [73])
Fig. 6.7 – Granulométrie du spray (diamètre de Sauter, D32) en fonction de la pression d’injec-
tion.
6.3 Evolution temporelle du spray
L’évolutiontemporelledusprayprésentéeci-aprèsaétéréaliséepourunepressiond’injection
de 100 , une contre pression atmosphérique, une durée d’injection de 1 et une levée
intermédiaire. Les images sont des moyennes de 20 réalisations obtenues par l’utilisation d’une
lampe ‡ash Nanolite, similaire à celle utilisée au CORIA mais délivrant un ‡ash d’une durée de
16 , l’acquisition étant toujours assurée par une caméra numérique Sensicam. La …gure 6.8
suivante illustre le développement du spray au cours de l’injection.
152
gGg
qv
pv v edu6.3 Evolution temporelle du spray
Fig. 6.8 – Evolution temporelle du spray. Pression d’injection de 100 bars, durée d’injection de
1ms,levéeintermédiaire.
Durant les 200 premières microsecondes après le début de l’injection (première et deuxième
image)onconstatequelespraydel’injecteurutiliséprésenteunecertainedissymétrie.Leliquide
injecté sur le coté droit se déplace plus rapidement, sa pénétration étant supérieure de presque
22 % pour un retard de 100 .
Ce phénomène s’atténue toutefois très rapidement, l’avance chutant à 13 % pour un retard
de 200 et n’étant plus visible au delà de 400 après le début de l’injection, au même titre
que la précocité du développement du vortex sur le côté gauche. Notons que les ligaments sont
déjàformésetqueleurstabilité,précédemmentanalyséepourdi¤érentesréalisationsàunretard
…xé, peut être ici étendue à l’ensemble du cycle d’injection.
L’injectionsepoursuitetlaconvectionduvortexinitialementcréeentêteduspraysefait
pluslentementquelapropagationduspray.Ilenrésultequeladistanceentrelecentreduvortex
et la pénétration du spray ne cesse d’augmenter au cours de l’injection, la pénétration du vortex
étant deux fois plus faible que celle du spray 400 après le début de l’injection et presque trois
fois plus pour un retard de 1 .
±Remarquons de plus que le grand angle du spray (proche de 80 )induitundéfautdemiseau
point de plus en plus prononcé au cours de l’injection et maximum sur l’extrémité des ligaments.
153
pv
v
v v
vChapitre 6. CARACTERISTIQUES DU SPRAY DE L’INJECTEUR PIEZO
ELECTRIQUE
La consigne d’injection étant ici de 1 , on constate cependant que cette dernière n’est
toujours pas …nie 1 1 après son début en raison du délai de fermeture de l’injecteur. En e¤et,
une …ne nappe de carburant persiste et sa très faible épaisseur permet même de distinguer le
nez de l’injecteur
Parlasuite,lapartielaplusavancéeduspraycontinuesapénétrationrectiligneavecune
vitesse de plus en plus réduite alors que l’autre partie du carburant injecté est captée par une
grosse structure tourbillonnaire toroïdale organisée autour du vortex crée en tête du spray au
début de l’injection.
La vitesse de pénétration du spray est déterminée à partir des images moyennes précédentes,
la …gure 6.9 illustrant la dernière partie de la procédure suivante. On réalise tout d’abord une
image moyenne de la zone visualisation éclairée sans le spray.
Après normalisation, cette image de fond est soustraite à chaque image moyenne du spray
obtenue (elles aussi normalisées), une binarisation étant appliquée a…n de réduire les éventuelles
imperfections résiduelles.
Fig. 6.9 – Contour du spray et fonction de cumul des niveaux de gris. La profondeur de péné-
tration obtenue est ici de proche de 42 mm (droite horizontale).
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pv
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