LabVIEW pilote une machine à compression rapide pour des essais de combustion en conditions extrêmes

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1 LabVIEW pilote une machine à compression rapide pour des essais de combustion en conditions extrêmes "Une partie mécanique basée sur le principe de la catapulte et une partie mesure et contrôle/commande gérée sous LabVIEW. " - Sylvain Loumé, Akira Technologies L'objectif : Construire une machine à compression rapide permettant aux chercheurs du laboratoire LCD (Laboratoire de Combustion et de Détonique) du CNRS d'étudier en détails, à l'aide de mesures optiques, les phénomènes qui se produisent dans une chambre de combustion des moteurs à combustion interne. La solution : Associer un ensemble mécanique sophistiqué avec un système d'acquisition de données permettant de gérer le pilotage de cet ensemble, les sécurités qu'il nécessite et le déclenchement de l'instrumentation de mesure optique. Auteur(s) : Sylvain Loumé - Akira Technologies Pascal Castéra - Akira Technologies Guillaume Notelet - Akira Technologies Marc Bellenoue - Laboratoire de Combustion et Détonique Julien Sotton - Laboratoire de Combustion et Détonique Le Laboratoire de Combustion et de Détonique (L.C.D.) du Centre National de la Recherche Scientifique (C.N.R.S.), sis à Chasseneuil du Poitou dans les locaux de l Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d Aérotechnique (E.N.S.M.A.), mène depuis de nombreuses années des recherches poussées sur la combustion dans les moteurs à piston, en ayant recours à des études sur des montages dédiés tels que des chambres de combustion statiques ou machines à compression rapide afin de découpler et reproduire les phénomènes physiques fondamentaux qui prennent place dans les moteurs (influence d une aérodynamique structurée ou non, de l intensité de turbulence, de la stratification de la charge carburée, etc.). Dans le but d étendre son champ d investigation aux nouveaux modes de combustion envisagés pour l avenir (injection diesel très haute pression, combustion de type HCCI ou CAI, moteurs fortement downsizés), le L.C.D., avec le soutien financier du C.N.R.S., du Ministère de l'éducation Nationale, de la Région Poitou-Charentes et du Conseil Général de la Vienne (12ème Contrat de Plan état Région), a décidé de se doter d une nouvelle machine à compression rapide munie d une chambre de combustion parallélépipédique transparente, supportant des pressions pouvant atteindre 220 bars et capable de reproduire des taux de compression de 9 (représentatif des moteurs à essence) jusqu'à 21 (supérieur à celui d'un moteur diesel standard). Afin de favoriser les diagnostics optiques, le volume de la chambre en fin de compression est particulièrement important (de 125 à 52,5 cm3). Pour concevoir et réaliser ce dispositif expérimental hors du commun, le Laboratoire de Combustion et de Détonique s est associé avec la société AKIRA Technologies, spécialiste dans la conception et la fabrication de machines d'essais spéciaux, comme des bancs moteurs, des bancs d'endurance ou encore des machines de fatigue. AKIRA associe des compétences à la fois mécaniques, électroniques, informatiques et métrologiques, qui lui ont permis de répondre au cahier des charges de cette machine spécifique définie par le LCD. Le principal défi était d'ordre mécanique. Il fallait pouvoir animer le piston de la machine avec une vitesse de 20 m/s, ce qui était impossible en utilisant directement un vérin hydraulique, qui n'aurait pas permis, tout en respectant les objectifs budgétaires, de dépasser les 4 m/s. Il a donc fallu imaginer un système basé sur le principe de la catapulte pour démultiplier la vitesse d'un vérin hydraulique. Une partie mécanique basée sur le principe de la catapulte Ce vérin, commandé par une servovalve ultra-rapide (temps de réponse en boucle ouverte environ 5 ms) elle-même alimentée par une centrale hydraulique permettant un débit de 400 l/min, propulse une biellette en acier de grande dimension (rapport de déplacement = 3, longueur 775 mm, épaisseur 50 mm, profil en H) qui elle-même propulse à grand vitesse un chariot de 40 kg installé horizontalement sur des rails. Ce chariot est équipé d'une came dont le profil vient entraîner un galet solidaire de l'axe du piston, vertical. Le profil est calculé pour reproduire le mouvement de bielle/manivelle d un moteur à 800 tr/min. Le déplacement horizontal de la came imprime ainsi le déplacement vertical du piston avec une vitesse et une force suffisantes. Il a fallu installer des freins hydrauliques (commandés de façon mécanique, par sécurité) sur le trajet du chariot afin d'arrêter la course de celui-ci, qui passe de 0 à 40 km/h puis de 40 km/h à 0, le tout en 60 ms (ce qui explique que la machine dépasse les 5 mètres au sol). Enfin, il a fallu installer un vérin de rappel pour éviter que l ensemble galet/piston ne décolle pendant la phase de décélération (qui permet d arriver au sommet de la came avec une vitesse nulle). La partie mécanique étant définie et réalisée, le système a été équipé de divers moyens de mesure permanente, dont un capteur laser pour mesurer le déplacement, des capteurs inductifs positionnés le long de l'axe du piston pour déclencher l'instrumentation optique mis en œuvre par le LCD (vélocimétries laser, fluorescence induite par laser ) et générer l'étincelle d'allumage à différents instants proches du point mort haut, un capteur pour mesurer la pression dynamique dans la chambre de combustion, ainsi qu'un thermocouple utilisé lors d'essais particuliers où la chambre est chauffée, et régulée en température par LabVIEW. à noter qu'en plus d'un système de chauffage, la chambre est équipée de vannes destinées à la vidange et au remplissage de mélanges gazeux, ainsi que d'un vérin secondaire dont le but est de créer des effets aérodynamiques contrôlés et représentatifs de ceux rencontrés dans les moteurs (mouvement de swirl, de tumble ou turbulence homogène). Toutes les mesures sont acquises par une seule carte d'acquisition de données multifonctions de la Série M, une PCI-6259 ( choisie parce qu'elle offre un grand nombre de voies d'entrée analogique (32), une précision de 16 bits, des sorties analogiques pour le pilotage de la servovalve, ainsi que des E/S numériques utilisées pour la régulation de température, pour les informations de sécurité machine et pour déclencher l'appareillage optique externe. Les compteurs de cette carte se sont révélés utiles a posteriori (l un pour générer le signal périodique du LASER, le second étant utilisé pour le déclenchement des signaux numériques envoyés aux appareils externes). La PCI-6259 a également été choisie parce qu'elle est capable, avec sa fréquence maximale de 1 Méchantillons/s, de répondre aux besoins de vitesse d'acquisition élevée sur chaque voie (100 khz). Enfin, elle s'est révélée particulièrement performante au niveau des décalages temporels entre les voies, suffisamment faibles pour être ignorés. En complément de cette carte, installé dans le PC de contrôle, le pupitre opérateur intègre un boîtier de commande qui permet de mettre le groupe hydraulique en route de façon manuelle uniquement, avec des voyants indicateurs d'éventuels défauts, la mise en pression et les défauts étant gérés par le PC. Un éclateur National Instruments a été installé pour des voies d'entrées analogiques supplémentaires pour l'ajout éventuel de capteurs. Une partie mesure et contrôle/commande gérée sous LabVIEW Côté logiciel, l'ensemble de l'application a été développé sous LabVIEW. Elle gère le pilotage de la servovalve, les déclenchements des appareils optiques, les mesures et la sécurité. Concernant la sécurité, la taille de la machine et les vitesses de certaines pièces mécaniques obligent à prendre un maximum de précautions avant l'exécution de tout essai. Il convient notamment de vérifier la pression des freins. Par ailleurs, l'application est protégée par des mots de passe, qui sécurisent l'accès aux paramètres relatifs au contrôle automatique et au contrôle de la servovalve, notamment. Enfin, LabVIEW gère également un système de chauffage utilisé pour modifier les conditions de fonctionnement de la chambre de combustion. Graphique, l'interface utilisateur se compose de voyants indiquant les sécurités machine, la présence de la came pour indiquer à l'opérateur s'il peut lancer l'essai. Elle intègre aussi une partie destinée à la configuration et aux réglages des paramètres de l'acquisition et de la génération de données, ainsi que des graphes montrant les mesures et résultats obtenus suite aux tirs effectués. 1/6

2 graphes montrant les mesures et résultats obtenus suite aux tirs effectués. Le recours à LabVIEW ( déjà utilisé pour d'autres bancs d'essai (tout comme le matériel d'acquisition de données National Instruments), a permis de développer rapidement l'application, d'exploiter au maximum les fonctionnalités de la carte d'acquisition de données et de gérer tous les aspects de contrôle/commande, y compris la sécurité. Le fait d'utiliser LabVIEW, en version 7.1 et en version 7.4 qui intègre la simulation de cartes NI, a aussi permis de développer l'application sans disposer des entrées/sorties matérielles, en mode simulation, entraînant ainsi un gain de temps et de faire des mises au point pour faire évoluer l'application à distance, sans nécessiter la présence de la machine. L'application donne entière satisfaction au LCD qui peut désormais effectuer des tirs avec tous les taux de compression souhaités, de 9 à 21 (taux qui couvrent aussi bien le domaine des moteurs à allumage commandé que les moteurs à allumage par compression et même au-delà). Ainsi l'auto-allumage par compression d'un mélange pauvre de méthane et d'air a été obtenu avec un taux de 21 ce qui n'avait pu être possible jusque-là avec une chambre aussi grande. Le LCD a demandé de nouvelles évolutions. Un vérin secondaire va être installé pour générer une aérodynamique à grande échelle contrôlée. La synchronisation des diagnostics laser et des phénomènes étudiés dans la machine sera assurée par le logiciel de commande de la machine. L'application logicielle est déjà prête pour cette évolution, mais les tests restent à faire. Plus tard, la machine devra permettre d'effectuer des mesures également dans la phase de détente du cycle, phase de descente du piston. Ceci ne devrait entraîner qu'une modification légère de la partie mécanique de la machine. Mars 2005 Informations sur l'auteur : Sylvain Loumé Akira Technologies ZAC Saint-Frédéric Rue de la Galupe Bayonne France Tél : akira.loume@wanadoo.fr (mailto:akira.loume@wanadoo.fr) 2/6

3 La machine à compression rapide, réalisée par Akira pour le LCD (C.N.R.S.), permet l'étude des phénomènes de combustion dans les moteurs à combustion interne, avec un contrôle précis des conditions d'essais. 3/6

4 Figure 1 Schéma de la machine à compression rapide 4/6

5 Figure 2 La chambre de combustion est équipée de capteurs dont les mesures sont gérées par NI LabVIEW, au travers d'une carte d'acquisition de données NI PCI /6

6 Législation Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM ( ( 6/6