Instrumentation pour la mesure de la température de surface

𝜕𝑥^(𝑘 𝜕𝑇 𝜕𝑥) (97)

L’hypothèse principale utilisée ici est celle d’un transfert unidirectionnel et normal à la paroi. La Figure 83 illustre le comportement monodimensionnel de la paroi de la chambre de combustion lorsqu’elle est soumise à un flux de chaleur variant avec le temps, où 𝑇_𝑆 et 𝑇_𝐿 sont les températures respectivement de surface et à une distance 𝐿 de la celle-ci.

Comme nous allons le voir, la mesure de température est critique, tant du point de vue de la technique utilisée que de son implantation dans le moteur.

Figure 83 : Schéma de principe de l’hypothèse du comportement monodimensionnel de la paroi de la chambre de combustion.

III.1.2.2 Instrumentation pour la mesure de la température de surface

Afin de mesurer la variation de la température de surface au cours du cycle moteur, il est nécessaire d’avoir un élément sensible à très faible inertie thermique et de géométrie surfacique. Deux types de technologies sont principalement utilisées, des thermorésistances à film fin et des thermocouples à jonction surfacique.

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Dans le premier cas, un film métallique est déposé sur un substrat isolant qui est lui-même appliqué sur la paroi de la chambre de combustion ou sur un corps qui est inséré dans la paroi. La résistance du film, qui dépend de sa température, est mesurée. Ce principe de mesure est utilisé par Wimmer et al. [32] et Wilson et al. [96].

Wimmer et al. [32] ont recours à un capteur qu’ils ont fabriqué et dont le schéma est donné par la Figure 84. Il est constitué d’un corps en oxide d’aluminium (isolant électrique) et d’un film de platine d’une épaisseur de 0,3 micromètre. Ce dernier est recouvert d’un film d’oxide d’aluminium d’épaisseur 0,1 micromètre afin de le protéger. Ce capteur présente l’avantage de ne comporter qu’un seul type de matériau sous l’élément sensible. Il est ensuite inséré dans la paroi de la chambre de combustion de façon affleurante.

Figure 84 : Schéma du capteur à film fin utilisé par Wimmer et al. [32].

Wilson et al. [96] quant à eux appliquent directement un film de platine de 0,4 micromètre et un film d’isolant de 50 micromètres sur la surface de la chambre de combustion, comme on peut le voir sur la Figure 85.

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Figure 85 : Schéma du dispositif de mesure à film fin utilisé par Wilson et al. [96] et photographie du piston instrumenté.

La majorité des études réalisées sur les transferts thermiques dans les chambres de combustion des moteurs à piston ont recours à l’utilisation de thermocouples à jonction surfacique. Il existe trois principaux types de thermocouples selon la géométrie d’agencement des deux matériaux thermoélectriques [8] :

▪ Le type paire de fils [35] [84] [97],

▪ Le type ruban [25] [37] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108], ▪ Le type coaxial [10] [24] [38] [40] [43] [44] [46] [80] [109] [110] [111] [112] [113] [114]. Le type paire de fils, représenté par la Figure 86, est composé de deux fils parallèles inclus dans une matrice électriquement isolante.

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Le type ruban est constitué de deux demi-cylindres séparés par un feuillet isolant, généralement du mica. La Figure 87 est un schéma montrant à gauche une vue en coupe transversale d’un thermocouple ruban et à droite une vue en coupe longitudinale du thermocouple inséré dans une matrice en aluminium.

Figure 87 : Schéma d’un thermocouple de surface de type ruban. A gauche coupe transversale du thermocouple. A droite coupe longitudinale du thermocouple inséré dans une matrice en aluminium [25]. Enfin dans le cas du type coaxial, dont un schéma est fourni par la Figure 88, les matériaux thermoélectriques sont des cylindres concentriques séparés par une fine couche d’isolant électrique.

Figure 88 : Schéma d’un thermocouple de surface de type coaxial [115].

La Figure 89 est un schéma montrant la section des trois types de thermocouples de surface. Les deux matériaux thermoélectriques étant isolés l’un de l’autre au sein du corps du thermocouple, une jonction métallique entre ceux-ci, appelée communément jonction

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chaude, doit être créée sur l’extrémité afin de fermer le circuit. Selon le type de thermocouple, la géométrie de la jonction et / ou la quantité de matériau isolant présent sous celle-ci diffère, ce qui affecte le comportement thermique de celle-ci. En effet plus la conductivité thermique du matériau sur lequel elle repose est faible, plus sa température sera élevée pour une valeur donnée de flux de chaleur reçu.

Figure 89 : Schéma illustrant la section des différents types de thermocouples de surface. (a) paire de fils ; (b) rubans ; (c) coaxial.

Concernant la jonction, elle peut être formée soit :

▪ par un fin dépôt métallique (dépôt sous vide etc.) [10] [24] [35] [38] [40] [43] [44] [46] [84] [97] [109] [110] [111] [113] [114],

▪ par une action abrasive (papier de verre) [25] [37] [80] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [112].

La première méthode, bien que plus complexe et coûteuse, présente l’avantage de générer une jonction plus robuste et dont l’épaisseur est maitrisée.

Les thermocouples de surface peuvent être soit insérés tels quels dans la paroi de la chambre, soit inclus dans une sonde comprenant généralement la mesure de température dans la masse. Dans ce cas, cela permet d’obtenir une mesure de température à une certaine distance de la surface plus fiable car moins soumise aux gradients de température présents dans la paroi, ainsi que d’avoir la possibilité de retirer le capteur pour l’inspecter, le déplacer et éventuellement le réparer. Quelques exemples de sondes utilisées dans la littérature vont être rapidement présentés.

La sonde mise au point par Alkidas et al. [100] en 1984 est composée d’un corps métallique de même nature que la paroi du moteur étudié. Un thermocouple de type ruban, dont la jonction est créée par abrasion, est inséré au centre du corps et une mesure de température est effectuée à une certaine distance, comme on peut le voir sur la Figure 90.

Gilaber et al. [111] utilisent en 1988 une sonde élaborée à partir du même métal que la culasse du moteur qu’ils étudient et d’un thermocouple coaxial à dépôt métallique. Ils appliquent un

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revêtement en céramique afin de s’affranchir des gradients de températures transversaux. La Figure 91 présente le schéma de principe du capteur.

Rakopoulos et al. [104] en 2000 conçoivent une sonde incluant un thermocouple ruban dont la jonction est créée par abrasion. Leur sonde est directement vissée dans la paroi d’un moteur refroidi par air et la mesure de température en profondeur est quant à elle réalisée contre le thermocouple ruban, comme indiqué sur la Figure 92.

La Figure 93 est un schéma de la sonde utilisée par Guralp et al. [44] en 2009. Celle-ci a grossièrement la forme d’un cylindre métallique au sein duquel un thermocouple coaxial avec une jonction constituée par un dépôt métallique est inséré. Une seconde mesure de température est réalisée à 4 millimètres de la surface.

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Figure 91 : Schéma de la sonde utilisée par Gilaber et al. [111]

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Figure 93 : Schéma de la sonde utilisée par Guralp et al. [44].