ROMAT, Hubert (138 rue du Haut des Sables, Poitiers, F-86000, FR)
UNIVERSITE DE POITIERS (15 rue de l'Hôtel Dieu, Poitiers Cédex, Poitiers Cédex, F-86034, FR)
LOUSTE, Christophe Laurent (41 bis rue du centre, Migne-Auxances, F-86440, FR)
ROMAT, Hubert (138 rue du Haut des Sables, Poitiers, F-86000, FR)
| REVENDICATIONS 1) Dispositif de projection (1 , 101) en particulier sous forme de nappe d'un liquide (2) pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques, le dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler le battement des oscillations, ce dispositif comprenant une buse qui forme un canal d'amenée (14, 114) du liquide vers au moins un orifice de projection (15, 115) de ce dernier hors du dispositif et qui incorpore à proximité de cet orifice une première et une seconde électrodes (7, 107 et 12, 112) agencées pour injecter des charges électriques dans le liquide, caractérisé en ce que le bord (15, 115) de cet orifice comprend, d'un côté du canal, au moins une extrémité saillante (7a, 107a) de la première électrode (7, 107) qui fait saillie dans ce canal et qui est destinée à être en contact avec le liquide et, d'un autre côté du canal, un corps de buse (8, 108) électriquement isolant dans lequel est noyée la seconde électrode (12, 112) de manière adjacente à la première électrode, de telle sorte que l'intensité du champ électrostatique en ladite ou chaque extrémité saillante soit maximisée. 2) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit canal (14, 114) est délimité par des premier et second corps de buse (3, 103 et 8, 108) électriquement isolants qui sont montés en regard l'un de l'autre et qui incorporent respectivement lesdites première et seconde électrodes (7, 107 et 12, 112) en des zones profilées de ces corps aboutissant audit orifice de projection (15, 115), la première électrode s'étendant sur une première paroi (6, 103b) intérieure audit canal définissant la zone profilée du premier corps et se terminant au-delà de cette paroi par ladite ou chaque extrémité en saillie (7a, 107a) dans le canal, et la seconde électrode étant adjacente à une seconde paroi extérieure (11 , 108b) au canal définissant la zone profilée du second corps. 3) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite ou chaque extrémité saillante (7a, 107a) présente un rayon de courbure principal compris entre 5 pm et 15 pm et est de préférence en forme de pointe, ledit orifice de projection (15, 115) présentant une plus petite dimension transversale comprise entre 100 pm et 500 pm. 4) Dispositif (1 , 101) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première électrode (7, 107) est globalement rectiligne en section longitudinale, ladite seconde électrode (12, 112) présentant une surface externe convexe qui est de préférence elliptique ou circulaire en section longitudinale de sorte à minimiser l'intensité du champ électrostatique en cette surface. 5) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 2 et l'une des revendications 3 et 4, ce dispositif étant apte à projeter un carburant à titre de liquide (2), caractérisé en ce que ledit premier corps de buse (3, 103) présente une permittivité relative εΓ inférieure ou égale à 10, et en ce que ledit second corps de buse (8, 108) présente une permittivité relative εΓ égale ou supérieure à 2 de sorte à maximiser encore l'intensité du champ électrostatique au voisinage de ladite première électrode (7, 107). 6) Dispositif (1 , 101) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est apte à générer ledit champ électrostatique local avec une intensité supérieure à 1 MV/cm en ladite ou chaque extrémité saillante (7a, 107a) lorsque l'on applique une tension alternative entre lesdites première et seconde électrodes (7, 107 et 12, 112). 7) Dispositif (1) selon une des revendications précédentes, ce dispositif étant apte à pulvériser sous forme de nappe un carburant à titre de liquide (2), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour amener au moins un flux gazeux (5, 10), tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection (15) de sorte à optimiser la pulvérisation du carburant projeté par le dispositif. 8) Dispositif (101) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit canal (114) présente une section transversale sensiblement rectangulaire de sorte à projeter le liquide sous forme de nappe plane, ladite première électrode (107) présentant globalement une forme de lame plate et ladite seconde électrode (112) une géométrie en forme de barreau, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue vue en section transversale. 9) Dispositif (1) selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit canal (14) présente une section transversale globalement annulaire de sorte à projeter le liquide (2) sous forme de nappe à symétrie de révolution, ladite première électrode (7) présentant une forme sensiblement conique divergeant vers ladite ou chaque extrémité saillante (7a) et ladite seconde électrode (12) une forme sensiblement torique entourant concentriquement la première électrode, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue vue en section transversale. 10) Dispositif (1) selon les revendications 2, 7 et 9, caractérisé en ce que ledit premier corps de buse (3) est situé radialement à l'intérieur dudit second corps de buse (8) qui l'entoure de manière concentrique de manière que lesdites première et seconde parois (6 et 11 ) soient respectivement divergente et convergente en direction dudit canal (14), et en ce que lesdits moyens pour amener des flux gazeux (5, 10) sont localisés radialement à l'intérieur de ce premier corps et radialement à l'extérieur de ce second corps. 1 1) Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il forme une pompe électro-hydrodynamique pour un échangeur de chaleur sans partie tournante par exemple destiné à équiper un véhicule aérien ou spatial à moteur thermique. 12) lnjecteur d'un carburant (2) pouvant être électriquement isolant pour chambre de combustion d'un moteur thermique de véhicule terrestre, aérien ou spatial, en particulier pour un turboréacteur d'avion, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) apte à pulvériser ce carburant sous forme d'une nappe selon une des revendications 1 à 10 et, de préférence, selon la revendication 10. 13) Utilisation d'un dispositif selon une des revendications 1 à 10 pour pulvériser un liquide choisi dans le groupe constitué par les liquides caloporteurs, les huiles de coupe pour machines-outils et les liquides de nettoyage de surfaces souillées. 14) Procédé pour projeter au moins par des forces électrostatiques et en particulier sous forme de nappe un liquide (2) pouvant être électriquement isolant, tel qu'un carburant, en le pulvérisant ou en en contrôlant le battement des oscillations, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un dispositif (1 , 101) selon une des revendications 1 à 11 en appliquant entre lesdites première et seconde électrodes (7, 107 et 12, 112) un signal alternatif de tension dont l'amplitude est de préférence de plusieurs kV, pour l'obtention d'un champ électrostatique local en ladite ou chaque extrémité saillante (7a, 107a) d'intensité supérieure à 1 MV/cm, des charges électriques étant ainsi directement injectées dans le liquide quittant le dispositif en cette extrémité. 15) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que pour pulvériser ce liquide (2), on utilise une fréquence de ce signal au moins égale à 1 kHz, ce signal étant de préférence carré et de fréquence de préférence égale ou supérieure à 2 kHz. 16) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que pour contrôler le battement des oscillations de ce liquide (2) sans le pulvériser, on utilise une fréquence de ce signal comprise entre 5 Hz et 100 Hz, ce signal étant de préférence de type sinusoïdal ou triangulaire et de fréquence sensiblement égale à 50 Hz. 17) Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que l'on met en mouvement le liquide (2) dans ledit canal (14, 114) avec une vitesse comprise entre 0,5 m/s et 2 m/s, et en ce que l'on obtient une nappe sensiblement plane ou à symétrie de révolution pour le liquide projeté d'épaisseur comprise entre 200 pm et 500 pm, de préférence en amenant en outre au moins un flux gazeux (5, 10), tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection (15) et à une vitesse par exemple comprise entre 30 m/s et 200 m/s, pour optimiser la pulvérisation du carburant projeté par le dispositif (1 , 101). |
ELECTROSTATIQUE D'UN LIQUIDE, INJECTEUR DE CARBURANT INCORPORANT CE DISPOSITIF ET UTILISATIONS DE CE DERNIER. La présente invention concerne un dispositif et un procédé de projection en particulier sous forme de nappe d'un liquide pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques, le dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler des oscillations en y générant des battements. L'invention concerne également un injecteur de carburant pour chambre de combustion d'un moteur thermique incorporant ce dispositif, tant pour les véhicules terrestres qu'aériens ou spatiaux, ainsi que d'autres utilisations de ce dispositif comme par exemple dans les domaines des pompes électro-hydrodynamiques pour échangeurs de chaleur, du refroidissement de systèmes embarqués par pulvérisation de liquides caloporteurs, de la pulvérisation d'huiles de coupe ou encore du nettoyage de surfaces, à titre non limitatif.
La pulvérisation d'un carburant est une étape essentielle pour tous les moteurs thermiques, du fait que le taux de pollution et le rendement d'un moteur thermique sont intimement liés à la qualité de pulvérisation du carburant. Dans les moteurs aéronautiques de type turboréacteurs, la pulvérisation est obtenue par désintégration d'une nappe de carburant. Pour obtenir cette désintégration dans un turboréacteur, on utilise généralement un jet d'air cisaillant soufflé à grande vitesse (typiquement à 200 m/s) dans la chambre de combustion qui impacte la nappe de carburant et la pulvérise.
Pour améliorer ce rendement et réduire la pollution engendrée par ces turboréacteurs, il est donc nécessaire de bien maîtriser la pulvérisation, ce qui est effectué de manière relativement satisfaisante en régime de fonctionnement normal étant donné que le dispositif de pulvérisation est dimensionné pour fonctionner correctement lorsque l'aéronef est en vitesse de croisière. Cependant, i! n'en est pas de même pour les autres régimes et notamment à bas régime, lorsque par exemple l'avion roule sur la piste. A ce moment-là, l'air qui entre dans la chambre de combustion n'atteint usuellement qu'une vitesse d'environ 30 m/s, insuffisante pour atomiser correctement le carburant qui donc brûle mal et engendre à la fois perte de puissance et pollution. La solution adoptée par les constructeurs aéronautiques consiste alors à disposer de plusieurs systèmes d'injection dans un même aéronef correspondant à autant de régimes de fonctionnement, ce qui présente l'inconvénient d'une solution complexe, coûteuse, d'un poids élevé et qui augmente en outre les risques de pannes. D'autres inconvénients de cette multiplicité d'injecteurs résident dans le manque de souplesse du dispositif qui ne permet pas de passer continûment d'un régime de fonctionnement à un autre et dans l'insuffisance des résultats obtenus par les injecteurs bas régime (la vitesse du jet d'air étant trop faible à bas régime, la pulvérisation peut n'être alors que partielle).
Pour apporter une solution à ces problèmes de pollution, de nouveaux injecteurs ont été développés, toujours sur le même principe précité des jets d'air cisaillant, pour obtenir des brouillards à faible concentration en carburant. Bien qu'efficaces en terme de pollution, il arrive néanmoins que la pauvreté du mélange en carburant provoque l'extinction du moteur. Le réallumage du moteur est alors difficile s'il a lieu en altitude (où la pression est faible et l'entrée d'air peut par exemple se faire à -45° C).
Une autre voie récemment explorée consiste à électriser le carburant avant son atomisation dans un turboréacteur, par injection électrostatique de charges électriques dans un jet de carburant circulant à grande vitesse. L'article Priol L., Baudel P., Louste C, Romat H., "Laser granulometry measurements on electrified jets for différent lengths of injector", Journal of electrostatics, Vol. 63, pp. 899-904, 2005, enseigne d'utiliser une telle pulvérisation électrostatique d'un carburant circulant à une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100 m/s au moyen d'une buse à symétrie de révolution incorporant une électrode en forme d'aiguille axiale reliée à une source de haute tension et une contre-électrode sensiblement radiale reliée à la terre qui est agencée en avai de l'aiguille dans la buse et qui comme l'autre électrode est destinée à être en contact avec le carburant. Cette contre- électrode est prévue en amont d'une conduite axiale terminale de cette buse de longueur L et de diamètre D (avec L/D variant de 2 à 10) par laquelle s'écoule le carburant éiectrisé avant d'être pulvérisé hors de la buse par l'orifice de sortie de cette conduite.
Le document WO-A1 -2008/052830 présente une buse de pulvérisation d'un carburant électriquement conducteur incorporant une électrode plane radiale en forme de couronne qui est logée entre deux couches radiales électriquement isolantes et dont le bord interne est pointu en amont de l'orifice de projection du carburant hors de la buse. Ce carburant conducteur est au préalable entraîné en rotation en amont de cette électrode et selon un axe de rotation perpendiculaire à celle-ci puis entre en contact avec ce bord pointu d'électrode avant d'être projeté hors de la buse.
Le document EP-B1-1 139 021 présente une buse de pulvérisation se terminant par deux électrodes métalliques axiales qui sont destinées à être en contact avec le carburant et qui définissent à elles seules le bord de l'orifice de projection du carburant hors de la buse.
Un inconvénient majeur de ce dernier dispositif de pulvérisation à électrodes qui sont toutes deux non électriquement isolées réside dans la valeur relativement réduite de l'intensité du champ électrostatique généré par ces électrodes, ce qui nuit à la qualité de l'atomisation obtenue.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de projection en particulier sous forme de nappe d'un liquide pouvant être électriquement isolant au moins par des forces électrostatiques qui remédie à l'ensemble des inconvénients précités, ce dispositif étant conçu pour pulvériser ce liquide ou pour en contrôler le battement des oscillations et comprenant une buse qui forme un canal d'amenée du liquide vers au moins un orifice de projection de ce dernier hors du dispositif et qui incorpore à proximité de cet orifice une première et une seconde électrodes agencées pour injecter des charges électriques dans le liquide. A cet effet, un dispositif de projection de liquide selon l'invention est tel que le bord de cet orifice comprend, d'un côté du canal, au moins une extrémité saillante de la première électrode qui fait saillie dans ce canal et qui est destinée à être en contact avec le liquide et, d'un autre côté du canal, un corps de buse électriquement isolant dans lequel est noyée la seconde électrode de manière adjacente à la première électrode, de telle sorte que l'intensité du champ électrostatique en ladite ou chaque extrémité saillante soit maximisée. On notera en premier lieu qu'un dispositif selon l'invention ainsi défini permet non seulement de pulvériser de manière optimale sous forme de nappe un liquide qui peut être initialement non électriquement chargé, tel qu'un carburant Diesel (étant précisé que par « électriquement isolant » on entend pour ce liquide une résistivité égale ou supérieure à 10 8 Q.m), mais en outre de contrôler la variation de l'amplitude de l'oscillation de la nappe projetée à l'état non pulvérisé.
Par « nappe », on entend dans la présente description un film mince dont l'épaisseur peut typiquement varier de 200 μιη à 500 m et qui définit une surface pouvant être plane ou tridimensionnelle, étant avantageusement dans ce dernier cas à symétrie de révolution et délimitant un espace interne, par opposition à un jet tridimensionnel de liquide qui par définition est plein et ne définit donc pas d'espace interne.
On notera que le dispositif selon l'invention, qui peut être uniquement basé sur l'utilisation de la force de Coulomb, est apte à injecter des charges électriques dans le carburant simultanément à sa projection hors du dispositif avec obtention d'un champ électrostatique local d'intensité extrêmement élevée, grâce à l'agencement spécifique des deux électrodes dont l'une forme l'extrémité de sortie de la buse via son extrémité saillante (i.e. pointue ou acérée selon un faible rayon de courbure) et dont l'autre est électriquement isolée en étant immédiatement adjacente à cette extrémité de sortie et, par conséquent, à l'autre électrode saillante. On obtient alors localement une véritable injection forcée des charges électriques dans le carburant, et la Demanderesse a vérifié que les effets électrostatiques intenses ainsi obtenus sont de nature à perturber la nappe de carburant voire même à provoquer son explosion, avec une optimisation de la pulvérisation secondaire de la nappe et une homogénéité du brouillard de gouttelettes obtenu qui est améliorée, en comparaison des pulvérisations obtenues par les dispositifs connus précités.
Rappelons que l'on entend de manière connue par « oscillation primaire » d'une nappe de carburant pulvérisé des ondes longitudinales de petite amplitude par rapport à l'épaisseur de la nappe et correspondant à une oscillation de l'interface, et qu'en aval de cette oscillation primaire sont formés des ligaments dans le sens de l'écoulement. Ces ligaments, qui correspondent à une oscillation dite secondaire, sont régulièrement espacés dans la direction transversale de la nappe et sont séparés par de fines membranes qui se rompent rapidement sous l'effet des forces aérodynamiques en formant un brouillard de petites gouttes. Ces ligaments se rompent à leur tour pour former une population d'amas liquides de tailles relativement importantes, la création de ces amas correspondant à la fin du phénomène de pulvérisation primaire. Quant à la pulvérisation secondaire, elle correspond à la désintégration de ces amas instables en gouttelettes plus petites du fait de la pression cinétique qui s'oppose aux forces de tension superficielle.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, ledit canal est délimité par des premier et second corps de buse électriquement isolants qui sont montés en regard l'un de l'autre et qui incorporent respectivement lesdites première et seconde électrodes en des zones profilées de ces corps aboutissant audit orifice de projection, la première électrode s'étendant sur une première paroi intérieure audit canal définissant la zone profilée du premier corps et se terminant au-delà de cette paroi par ladite ou chaque extrémité en saillie dans le canal, et la seconde électrode étant adjacente à une seconde paroi extérieure au canal définissant la zone profilée du second corps. Avantageusement, ladite ou chaque extrémité saillante peut présenter un rayon de courbure principal compris entre 5 μιη et 15 m et est de préférence en forme de pointe, ledit orifice de projection présentant une plus petite dimension transversale comprise entre 100 \im et 500 μηι. On notera que ce faible rayon de courbure combiné à l'isolation de la seconde électrode permet d'obtenir un champ électrostatique local très important, avec une intensité pouvant être supérieure à 1 MV/cm en ladite ou chaque extrémité saillante lorsque l'on applique une tension alternative (d'amplitude de préférence égale à plusieurs kV et par exemple au moins égale à ± 20 kV) entre les première et seconde électrodes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite première électrode peut être globalement rectiligne en section longitudinale, ladite seconde électrode pouvant présenter une surface externe convexe qui est de préférence elliptique ou circulaire en section longitudinale, cette forme convexe ou arrondie permettant de minimiser l'intensité du champ électrostatique en cette surface.
Avantageusement dans le cas de l'utilisation préférentielle d'un carburant à titre de liquide, le dispositif de l'invention est tel que ledit premier corps de buse présente une permittivité relative ε Γ de préférence inférieure ou égale à 10 (à titre encore plus préférentiel inférieure ou égale à
5), et que ledit second corps de buse présente une permittivité relative ε Γ égale ou supérieure à 2 (de préférence égale ou supérieure à 5) de sorte à maximiser encore l'intensité du champ électrostatique au voisinage de ladite première électrode. Pour éviter le claquage du dispositif, cette seconde électrode est ainsi placée à l'intérieur d'un matériau isolant de permittivité élevée pour transmettre le champ électrique mais surtout de forte rigidité diélectrique pour ne pas claquer (Ses céramiques répondent à cette double contrainte et sont donc utilisables pour former le second corps de buse). Cette seconde électrode est ainsi entièrement protégée par ce matériau isolant et est conçue pour n'être jamais en contact avec le carburant ni avec l'air. A titre d'exemples de matériaux utilisables pour constituer tout ou partie de ces deux corps de buse, on peut citer en plus des céramiques le PVC et le « plexiglas », à titre non limitatif. A titre de matériaux utilisables pour constituer lesdites première et seconde électrodes, on peut citer tous matériaux électriquement conducteurs mais en outre chimiquement neutres vis-à-vis du liquide à projeter.
Pour pulvériser ce carburant sous forme de nappe, on peut pourvoir en outre ce dispositif selon l'invention de moyens pour amener au moins un flux gazeux, tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection de sorte à optimiser encore cette pulvérisation.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ledit canal présente une section transversale sensiblement rectangulaire de sorte à projeter le liquide sous forme de nappe plane, ladite première électrode présentant globalement une forme de lame plate et ladite seconde électrode une géométrie en forme de barreau, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue (par exemple à la manière d'un peigne) vue en section transversale.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, ledit canal présente une section transversale globalement annulaire (e.g. elliptique ou circulaire) de sorte à projeter le liquide sous forme de nappe à symétrie de révolution, ladite première électrode présentant une forme sensiblement conique divergeant vers ladite ou chaque extrémité saillante et ladite seconde électrode une forme sensiblement torique entourant concentriquement la première électrode, chaque électrode étant indépendamment continue ou discontinue vue en section transversale.
A titre préférentiel selon ce second mode de l'invention, ledit premier corps de buse est situé radialement à l'intérieur dudit second corps de buse qui l'entoure de manière concentrique de manière que lesdites première et seconde parois soient respectivement divergente et convergente en direction dudit canal, et lesdits moyens pour amener des flux gazeux sont localisés radialement à l'intérieur de ce premier corps et radialement à l'extérieur de ce second corps.
On notera que le dispositif selon ce second mode de l'invention ne nécessite pas de modifier la géométrie des injecteurs actuels, l'action électrostatique pouvant être utilisée seule ou bien se superposer à l'action mécanique usuelle du jet d'air sur la nappe pour en accroître l'efficacité et la sécurité. En effet, il suffit de pourvoir desdites électrodes cet injecteur actuel à deux corps de buse interne et externe concentriques ménageant de tels flux d'air radialement interne et externe et à parois d'extrémité respectivement divergente et convergente, la structure de ces deux corps de buse pouvant être inchangée par ailleurs.
On notera également que le dispositif du second mode selon l'invention permet de simplifier considérablement les systèmes d'injection actuels sur les aéronefs en supprimant les injecteurs dédiés aux bas régimes de fonctionnement, puisque ce dispositif de l'invention est apte à assurer cette pulvérisation à bas régime par la force électrostatique selon l'invention complétée par des entrées d'air dues à un vent cisaillant par exemple à 30 m/s. Ce dispositif de l'invention est ainsi de structure simple (deux électrodes seulement sont à prévoir), peu coûteux (les techniques de fabrication classiques avec jets d'air étant utilisables), est apte à fonctionner à tous les régimes y compris au soi, consomme une puissance électrique très faible (quelques watts seulement) et est extrêmement robuste et donc peu soumis à l'usure du fait qu'il est dépourvu de toute pièce mobile contrairement à certains dispositifs connus mettant en oeuvre une rotation du carburant.
De plus, ce dispositif selon le second mode de l'invention permet d'aider au réallumage du moteur en pulvérisant la quantité importante de carburant nécessaire. Un injecteur selon l'invention d'un carburant par exemple électriquement isolant pour chambre de combustion d'un moteur thermique de véhicule terrestre, aérien ou spatial, en particulier pour un turboréacteur d'avion, comporte un dispositif apte à pulvériser ce carburant sous forme de nappe tel que défini ci-dessus et, de préférence, selon ce second mode préférentiel de l'invention avec lesdits flux gazeux qui sont localisés radialement à l'intérieur dudit premier corps et radialement à l'extérieur dudit second corps. Comme indiqué précédemment, il est à noter que cet injecteur est notamment caractérisé par la position des deux électrodes qui sont situées le plus près possible de la sortie de i'injecteur (i.e. de la lèvre d'injection de la buse), étant précisé que de préférence cette lèvre d'injecteur est constituée en partie par la première électrode injectant les charges dans le carburant l'atteignant, avec la création des forces électrostatiques intenses précitées qui déstabilisent le film de carburant pour le pulvériser sous forme de nappe.
On notera également que les moyens électrostatiques de pulvérisation inclus dans un injecteur selon l'invention peuvent être utilisés seuls pour pulvériser le carburant, i.e. sans moyens de soufflage mécanique, mais que la combinaison de ces deux moyens permet d'accroître la performance et la fiabilité de l'aéronef notamment en cas de défaillance de l'un de ces deux moyens électrostatiques et mécaniques, l'autre prenant le relais.
On notera en outre qu'un injecteur selon l'invention présente un faible encombrement, du fait que l'espace nécessaire à l'installation de ces moyens électrostatiques (i.e. essentiellement les deux électrodes, la source de haute tension et un dispositif de contrôle électronique) est réduit, et représente un gain écologique puisque l'optimisation de la pulvérisation s'accompagne d'une meilleure combustion, donc d'une consommation plus faible et par conséquent d'une baisse de la pollution générée.
D'autres utilisations selon l'invention d'un dispositif tel que défini ci-dessus peuvent consister, à titre non limitatif, à pulvériser un liquide choisi dans le groupe constitué par les liquides caloporteurs, les huiles de coupe pour machines-outils et les liquides de nettoyage de surfaces souillées, ou bien à réaliser une pompe électro-hydrodynamique pour un échangeur de chaleur sans partie tournante par exemple destiné à équiper un véhicule aérien ou spatial à moteur thermique. Un procédé selon l'invention pour projeter au moins par des forces électrostatiques et en particulier sous forme de nappe un liquide pouvant être électriquement isolant, tel qu'un carburant, en le pulvérisant ou en en contrôlant le battement des oscillations, consiste à utiliser un dispositif 5 tel que défini ci-dessus en appliquant entre lesdites première et seconde électrodes un signal alternatif de tension dont l'amplitude est de préférence de plusieurs kV et est par exemple au moins égale à + 20 kV, pour l'obtention d'un champ électrostatique local en ladite ou chaque extrémité saillante en contact avec le liquide d'intensité supérieure à 1 MV/cm et pouvant atteindre0 10 MV/cm, des charges électriques étant ainsi directement injectées dans le liquide quittant le dispositif en cette extrémité.
On notera que l'utilisation d'un signal alternatif est indispensable au bon fonctionnement du dispositif selon l'invention, pour éviter l'accumulation de charges électriques à la surface du diélectrique solide 5 qui sépare les première et seconde électrodes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la Demanderesse a découvert qu'une utilisation de signaux électriques particuliers permet une modulation fine et rapide de l'action électrique selon les besoins de l'injecteur de carburant et selon que l'on recherche une o pulvérisation du carburant ou bien un contrôle du battement de ce dernier lorsqu'il n'est pas pulvérisé.
De plus, la modulation du signal électrique permet d'obtenir une variation immédiate ou progressive du comportement de l'injecteur par ces moyens électrostatiques, cette modulation permettant d'adapter de façon 5 continue le fonctionnement de l'injecteur lors des changements de régime, grâce à un dispositif de contrôle électronique utilisé en relation avec l'injecteur.
Pour pulvériser ce liquide, on peut avantageusement utiliser une fréquence de ce signal au moins égale à 1 kHz, ce signai étant de o préférence carré avec, par exemple, une fréquence égale ou supérieure à 2 kHz et un temps de montée voisin de 400 ν/μ≤. On notera néanmoins que toutes les autres formes existantes de signaux alternatifs sont utilisables pour obtenir cette pulvérisation, comme par exemple des signaux sinusoïdaux, triangulaires ou même sous forme d'impulsions.
Pour contrôler le battement des oscillations de ce liquide sans le pulvériser, on peut avantageusement utiliser une fréquence de ce signal comprise entre 5 Hz et 100 Hz, ce signal étant de préférence de type sinusoïdal ou triangulaire et de fréquence sensiblement égale à 50 Hz. On notera que ce contrôle du battement est notamment utile en cas d'association d'un ou de plusieurs jets d'air en plus de ces moyens électrostatiques.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, l'on met en mouvement le liquide dans ledit canal avec une vitesse comprise entre 0,5 m/s et 2 m/s, et l'on obtient une nappe sensiblement plane ou à symétrie de révolution pour le liquide projeté d'épaisseur comprise entre 200 μΐΎΐ et 500 pm, de préférence en amenant en outre au moins un flux gazeux, tel qu'un jet d'air, en aval dudit orifice de projection et à une vitesse par exemple comprise entre 30 m/s et 200 m/s, pour optimiser la pulvérisation du carburant projeté par le dispositif.
Les caractéristiques précitées de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux comprises à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, ladite description étant réalisée en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
la figure 1 est une vue schématique partielle et en section axiale d'un dispositif de projection d'une nappe selon l'invention à symétrie de révolution pour injecteur de carburant,
la figure 2 est une vue schématique partielle et en section longitudinale suivant le plan ll-ll de la figure 9, d'un dispositif de projection selon l'invention d'une nappe plane de carburant correspondant à une variante simplifiée de la figure 1 ,
la figure 3 est une vue schématique en agrandissement de l'extrémité de projection du dispositif de la figure 2 montrant notamment un exemple de forme et d'agencement des deux électrodes équipant ce dispositif,
la figure 4 est une vue de dessous du premier corps de buse du dispositif de projection de la figure 2 (sans la première électrode à 5 extrémité saillante prolongeant ce premier corps),
la figure 5 est une vue latérale de ce premier corps de buse de la figure 2 montré dépourvu de sa première électrode,
la figure 6 est une vue frontale de ce premier corps de buse de la figure 2 montré dépourvu de sa première électrode,
o la figure 7 est une vue de dessous du second corps de buse du dispositif de projection de la figure 2, montrant le logement pratiqué dans ce corps de buse pour y recevoir la seconde électrode électriquement isolée, la figure 8 est une vue latérale de ce second corps de buse de la figure 2,
5 la figure 9 est une vue frontale de ce second corps de buse de la figure 2,
la figure 10 est une juxtaposition de deux photographies montrant en vues de face deux nappes obtenues par le dispositif de la figure 2, la photographie de gauche montrant la nappe non pulvérisée obtenue sans o les moyens électrostatiques de l'invention, et celle de droite la nappe pulvérisée selon l'invention qui est obtenue par ces moyens,
la figure 11 est une juxtaposition de deux autres photographies montrant en vue de profil deux nappes obtenues par le dispositif de la figure 2, la photographie de gauche montrant la nappe non
5 pulvérisée et sans battement obtenue sans les moyens électrostatiques de l'invention, et celle de droite la nappe non pulvérisée mais soumise au battement qui est obtenue par ces moyens,
la figure 12 est une juxtaposition de deux rangées de quatre photographies chacune montrant en vue de face, pour quatre vitesses o différentes de nappes, ces dernières à l'état non pulvérisé à la rangée du haut (i.e. sans les moyens électrostatiques) et à l'état pulvérisé à la rangée du bas (i.e. avec ces moyens, via un signai électrique carré de fréquence 2kHz et ± 30 kV d'amplitude),
la figure 13 est une juxtaposition de deux rangées de quatre photographies chacune montrant les nappes de la figure 12 en vue de profil, (i.e. pour les mêmes vitesses de nappes, à l'état non pulvérisé à la rangée du haut et à l'état pulvérisé à la rangée du bas via ce même signal électrique), la figure 14 est une juxtaposition de six rangées de deux photographies chacune montrant en vue de face (pour les photographies de gauche) et en vue de profil (pour celles de droite) l'influence, sur la pulvérisation de la nappe, de la fréquence du signal électrique carré d'amplitude ± 30 kV utilisé eh relation avec ces moyens, la vitesse de la nappe étant de 1 m/s,
la figure 15 est une juxtaposition de quatre rangées de deux photographies chacune (à l'exception de la seconde rangée) montrant en vue de face (pour les photographies de gauche) et en vue de profil (pour celles de droite) l'influence, sur la pulvérisation de la nappe, de l'amplitude du signal électrique carré de fréquence 1 kHz utilisé en relation avec ces moyens,
la figure 16 est une juxtaposition de quatre rangées de deux photographies chacune (à l'exception de la première rangée) montrant l'influence, sur le battement de la nappe, de la forme du signal (sinusoïdale pour les photographies de gauche et triangulaire pour celles de droite) et de la fréquence de ce signal d'amplitude ± 30 kV utilisé en relation avec ces moyens, la vitesse de la nappe étant de 1 m/s, et
la figure 17 est une juxtaposition de deux rangées de trois photographies chacune montrant l'influence, sur le battement de la nappe, de la forme du signal (sinusoïdale pour la rangée supérieure et triangulaire pour la rangée inférieure) et de la fréquence de ce signai (avec trois fréquences pour chaque rangée) d'amplitude ± 30 kV utilisé en relation avec ces moyens, la vitesse de la nappe étant de 1 m/s. Le dispositif 1 de projection de liquide 2 illustré à la figure 1 représente un mode de réalisation préférentiel d'une buse pour injecteur de carburant selon l'invention. Comme cela sera expliqué ci-après, la buse 1 peut être utilisée au choix pour pulvériser le carburant 2 ou pour contrôler le battement de son oscillation, et elle comporte essentiellement :
- un premier corps de buse 3 radialement interne, électriquement isolant et en forme de tube creux à surface externe 4 cylindrique dont l'espace interne est avantageusement conçu pour acheminer un jet d'air central 5 radialement à l'intérieur de la nappe de carburant 2 projetée par la buse 1 (cylindrique dans le schéma de la figure 1, étant entendu que cette nappe pourrait être conique) de sorte à en améliorer la pulvérisation par exemple, ce premier corps 3 se terminant par une surface interne conique 6 qui diverge radialement vers l'extérieur et qui est recouverte d'une première électrode 7 (par exemple métallique) épousant cette surface 6 et de section axiale rectiligne se terminant par une pointe en saillie 7a radialement à l'extérieur de la surface externe 4 de sorte à être au contact du carburant 2 projeté,
- un second corps de buse 8 radialement externe, électriquement isolant et en forme de tube creux à surface interne 9 cylindrique dont l'espace externe est avantageusement conçu pour acheminer un autre jet d'air périphérique 10 radialement à l'extérieur de la nappe projetée de carburant 2, ce second corps 8 se terminant par une surface externe conique 11 qui converge radialement vers l'intérieur pour se terminer sensiblement en regard de la pointe 7a de la première électrode 7, et qui renferme dans sa masse une seconde électrode 12 (par exemple métallique) à proximité immédiate de l'extrémité aval de ce second corps 8 et donc de la première électrode 7, et
- des moyens 13 de génération et de contrôle d'un signal électrique alternatif appliqué entre les électrodes 7 et 12 (de forme, d'amplitude et de fréquence réglables, comme expliqué ci-dessous), lesquelles sont reliées à une source de haute tension HT incluse dans ces moyens 13. Le positionnement relatif des deux corps de buse 3 et 8 définit un étroit canal 14 d'amenée du carburant 2 à projeter de section annulaire, avec un espacement E entre ces deux corps 3 et 8 par exemple compris entre 100 pm et 500 μιτι, déterminant ainsi l'épaisseur de la nappe de carburant 2 projetée (avec une vitesse de sortie par exemple de l'ordre de 1 m/s).
Plus précisément, la première électrode 7 est conçue pour injecter directement des charges électriques dans le carburant 2 dans lequel sa pointe 7a est immergée en fonctionnement, en servant de lèvre d'injecteur à la buse 1 du fait que cette électrode 7 constitue partiellement le bord 15 de l'orifice de projection de la buse 1. Cette injection directe au niveau de la pointe 7a est réalisée grâce à un champ électrostatique d'intensité très élevée (plusieurs MV/cm pouvant aller jusqu'à 10 MV/cm) que l'on génère en cette pointe 7a par la haute tension HT appliquée entre les deux électrodes 7 et 12, grâce au rayon de courbure suffisamment faible de cette pointe 7a qui est par exemple d'environ 10 pm. Quant au matériau du premier corps 3 constituant le support isolant de cette première électrode 7, il est choisi de permittivité ε Γ faible pour maximiser l'intensité du champ électrostatique au voisinage de la pointe 7a, cette permittivité étant de préférence inférieure à celle du liquide 2 à projeter soit inférieure à 2,2 pour un carburant diesel de type « GASOIL », par exemple.
La seconde électrode 12 est entièrement noyée dans le second corps de buse 8 qui l'isole électriquement pour empêcher la formation d'arcs électriques entre les deux électrodes 7 et 12. L'électrode 12 présente une géométrie dépourvue d'angles ou d'arêtes (avantageusement convexe ou arrondie, étant globalement en forme de tore dans l'exemple de la figure 1) qui limite le champ électrique à sa surface ainsi que les contraintes sur le matériau isolant qui est au contact de cette électrode 12. Ce matériau isoiant présente une rigidité diélectrique choisie la plus élevée possible, et une permittivité également élevée (ε Γ > 5 de préférence) pour maximiser l'intensité du champ électrostatique au voisinage de la première électrode 7. Quant aux deux jets d'air 5 et 10 précités qui sont conçus pour venir souffler sur les faces respectivement interne et externe de la nappe 2 émise, leur vitesse peut varier de 30 m/s à 200 m/s à titre d'exemple.
On notera que l'injecteur électrostatique 1 selon l'invention de la figure 1 se distingue uniquement d'un injecteur de l'état antérieur de la technique par l'ajout et l'agencement spécifique des deux électrodes 7 et 12 en relation avec les moyens 13 de génération et de contrôle du signal électrique alternatif entre ces électrodes 7 et 12. En d'autres termes, l'architecture générale d'un tel injecteur connu n'a pas été modifiée, l'effet électrostatique se superposant avantageusement ou non à l'effet aéromécanique, ce qui permet de disposer d'une action mécanique seule, d'une action électrostatique seule ou bien de ces deux actions de façon simultanée pour la pulvérisation du carburant 2.
Comme expliqué précédemment, il est à noter que la nappe de carburant 2 ainsi chargée subit l'action des forces électrostatiques qui engendrent au choix soit sa pulvérisation, soit son oscillation contrôlée, selon le signal électrique appliqué entre les électrodes 7 et 12, et que cette pulvérisation ou le contrôle de cette oscillation sont optimisées par les géométries respectives de ces électrodes 7 et 12 qui sont conçues pour maximiser le champ électrostatique sur la première électrode 7 et donc l'injection directe des charges électriques dans le carburant 2.
On a testé, en référence aux figures 2 à 9 (cotes exprimées en mm), une buse 101 de projection de carburant à canal de projection 114 plan, cette géométrie ayant été retenue pour des raisons de simplicité et du fait qu'elle est représentative des résultats obtenus avec un dispositif à symétrie de révolution (i.e. axisymétrique du type de celui de la figure 1) à canal de projection 14 de section annulaire. On a utilisé pour ces essais deux prototypes plans de même structure mais réalisés avec des matériaux électriquement isolants différents, le premier ayant ses deux corps de buse 103 et 108 en PVC et le second en « plexiglas » (avec une permittivité ε Γ de 4,5, une résistivité de 10 15 Q.m et une rigidité diélectrique > 40 kV/mm en courant alternatif). Quant au carburant utilisé, il s'agit de « GASOIL » de masse volumique égale à 860 kg/m 3 , de permittivité relative ε Γ =2,2, de résistivité allant compris entre 10 9 et 10 10 Q.m et de viscosité cinématique égale à 4,3 10 "6 m 2 /s.
La buse de projection 101 visible à ces figures 2 à 9 comporte deux premier et second corps de buse 103 et 108 qui sont respectivement pourvus des première et seconde électrodes 107 et 112 et qui se différencient essentiellement de ceux de la figure 1 en ce que ces corps 103 et 108 présentent chacun une même géométrie de section transversale rectangulaire, en lieu et place de la section transversale annulaire de ceux de la figure 1 (cette forme rectangulaire est visible aux figures 4 et 6 pour le premier corps 103 et aux figures 7 et 9 pour le second 108).
L'extrémité amont de ces deux corps 103 et 108 est dans l'exemple de la figure 2 surmontée d'un chapeau 116 venant fermer une chambre de tranquillisation 117 du carburant qui présente une section longitudinale rectangulaire et qui est délimitée par les faces internes respectives des deux corps 103 et 108, symétriques l'une de l'autre par rapport au canal central 114 de projection du carburant. Plus précisément, la chambre 117 et ce canal 114 sont centrés sur l'axe longitudinal de symétrie X de la buse 101 , et un orifice central 116a ménagé dans le chapeau 116 permet l'arrivée du carburant dans la chambre 117, laquelle se rétrécit à angle droit à proximité de ['extrémité aval de la buse 101 par deux épaulements 103a et 108a que présentent les faces internes des corps 103 et 108. Ce canal 114 forme un tronçon terminal de faible largeur I (1 mm, voir figure 3) qui communique en amont avec la chambre 117 et aboutit à l'extrémité aval profilée de la buse 101 formée par les surfaces externes obliques respectives 103b et 108b des deux corps 103 et 108.
La première électrode 107 (réalisée en acier chromé) est en forme de lame plate qui s'étend sur la majeure partie de la surface externe oblique 103b du premier corps 103 et qui se termine par une extrémité pointue 107a faisant obliquement saillie dans le canal 114, de telle manière que cette extrémité saillante 107a définisse partiellement le bord 115 de l'orifice aval de projection de la buse 101 (voir figure 3) conjointement à l'arête terminale aiguë du second corps 108, la largeur e entre cette extrémité saillante 107a et cette arête en regard étant dans cet exemple de 300 pm.
Quant à la seconde électrode 112 (également réalisée en
5 acier chromé), elle est noyée dans cet exemple de réalisation dans une résine isolante 112a de type époxy qui vient remplir une cavité débouchant sur la surface externe oblique 108b du second corps 108 dans la zone profilée de ce dernier et à proximité immédiate de ladite arête. On voit aux figures 2 et 3 que cette résine isolante 112a forme ainsi une partie de la surface oblique 108b et o est en contact avec le matériau isolant (e.g. PVC ou « plexiglas ») du second corps 108. Cette seconde électrode 1 2 présente dans cet exemple une section longitudinale oblongue et arrondie qui est sensiblement elliptique.
On notera que la connectique des électrodes 107 et 112 n'a pas été représentée sur ces figures 2 à 9 pour des raisons de clarté.
5 On a ainsi obtenu des nappes projetées sensiblement planes avec des vitesses de nappes comprises entre 0,5 m/s et 2 m/s, chaque nappe ayant une section rectangulaire de longueur environ égale à 8 cm (dans la direction transversale des figures 6 et 9) et de largeur environ égale à 4 cm (dans la direction longitudinale de ces figures), avec une épaisseur de nappe o d'environ 300 Mm (correspondant à la largeur e précitée de l'orifice de projection).
Les figures 11 à 17 présentent les nappes obtenues lors d'essais réalisés en l'absence d'écoulement d'air (i.e. seulement par les 5 moyens électrostatiques comprenant ces électrodes 107 et 112), au moyen du dispositif de projection 101 selon ces figures 2 à 9 dont les corps de buse 103 et 108 sont réalisés en « plexiglas » (à l'exception de la résine en époxy 112a précitée).
Sur l'image de gauche de la figure 10, on voit que la nappe 0 projetée de carburant non pulvérisé (du fait de l'absence de signal électrique généré entre les électrodes) est parfaitement stable en vue de face, alors que l'image de droite de cette figure 10 illustre la pulvérisation efficace obtenue par la seule injection forcée de charges électriques selon l'invention (via un signal électrique alternatif), les moyens électrostatiques étant ainsi capables à eux seuls de pulvériser la nappe.
Sur l'image de gauche de la figure 11, on voit que la nappe projetée de carburant non pulvérisé (du fait de l'absence de signal électrique) est parfaitement linéaire (Le. sans battement) vue de profil, alors que l'image de droite de cette figure 11 montre que la génération d'un signal alternatif adéquat entre les électrodes (voir ci-dessous) permet de contraindre la nappe de carburant avec un battement donné d'oscillations.
Sur la rangée supérieure d'images de la figure 12, sont illustrées en vue de face quatre nappes projetées sans pulvérisation (du fait de l'absence de signal électrique) à des vitesses respectives de 0,6 m/s, 1 m/s, 1 ,5 m/s et 2 m/s, alors que la rangée inférieure d'images de cette figure 12 montre la pulvérisation obtenue selon l'invention à ces quatre vitesses de nappe via un signal électrique carré de 2 kHz et d'amplitude ± 30 kV.
Sur la rangée supérieure d'images de la figure 13, sont illustrées en vue de profil quatre nappes projetées sans pulvérisation (du fait de l'absence de signal électrique) à ces quatre mêmes vitesses, alors que la rangée inférieure d'images de cette figure 13 montre la pulvérisation obtenue selon l'invention à ces vitesses de nappe via ce même signal électrique carré de 2 kHz et d'amplitude ± 30 kV. On voit à cette rangée inférieure que les grosses gouttes (de 1 mm à 3 mm de diamètre) qui proviennent pour la plupart des bords de la nappe sont visibles au centre, et qu'une multitude de petites gouttes de très faible diamètre (inférieur à 100 μηι) sont également visibles de part et d'autre du jet central.
La figure 14 montre l'influence sur la qualité de la pulvérisation obtenue (avec une vitesse de nappe de 1 m/s) de la fréquence d'un signal électrique carré d'amplitude ± 30 kV, cette fréquence variant de 0 Hz à la rangée du haut (i.e. en l'absence de signal) à la fréquence maximale de 2 kHz à la rangée du bas. On voit que l'utilisation de hautes fréquences (i.e. d'au moins 500 Hz) et de préférence comprises entre 1 et 2 kHz procure une pulvérisation satisfaisante de la nappe. La figure 15 montre i'influence sur la qualité de la pulvérisation obtenue de l'amplitude du signal électrique carré de 1 kHz. On voit que cette amplitude doit être dans cet exemple supérieure à ± 20 kV pour l'obtention d'une nappe finement pulvérisée.
Les deux colonnes d'images de la figure 16 (vues de face) montrent l'influence sur le battement de nappe obtenu de la forme et de la fréquence du signal alternatif, pour une même amplitude de signal égale à ±30 kV et pour une vitesse du carburant de 1 m/s. A la colonne de gauche sont illustrées les nappes obtenues pour un signai sinusoïdal et à celle de droite pour un signal triangulaire, dans les deux cas pour des fréquences allant de 5 Hz à 100 Hz.
Les deux rangées d'images de la figure 17 (vues de profil) complètent ces vues de la figure 16 pour trois de ces fréquences (5 Hz, 10 Hz et 50 Hz) et permettent de visualiser le battement obtenu pour les signaux sinusoïdaux (rangée supérieure) et triangulaires (rangée inférieure).
11 ressort de ces figures 10 à 17 que les dispositifs de projection selon l'invention fonctionnent de manière satisfaisante avec tous les types de signaux alternatifs classiques (i.e. de type carré, sinusoïdal, triangulaire et même à impulsions). Plus précisément, l'utilisation spécifique d'une basse fréquence (supérieure à 50 Hz) associée à un signal « doux » de type sinusoïdal ou triangulaire permet d'obtenir un battement de ia nappe sans pulvérisation, alors que l'utilisation de hautes fréquences (jusqu'à 2 kHz) permet d'obtenir une pulvérisation fine de la nappe (des pulvérisations d'excellente qualité ont été obtenues avec un signal carré de 2 kHz). On peut néanmoins envisager de pulvériser les nappes de manière satisfaisante (i.e. avec une pulvérisation secondaire optimisée) avec un dispositif selon l'invention à des fréquences de signaux alternatifs supérieures à 2 kHz.