FR2805347A1 - Dispositif pour controler le debit de particules conductrices dans un flux de gaz - Google Patents

Dispositif pour controler le debit de particules conductrices dans un flux de gaz Download PDF

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Abstract

- Dispositif pour contrôler le débit de particules présentant une certaine conductivité électrique transportées par un flux de gaz, par mesure de la variation de la conductivité électrique entre des électrodes, affectée par le dépôt de ces particules entre elles.- Il comporte une sonde (S) rapportée localement en un point de l'élément filtrant (6) et interposée dans le flux gazeux, comprenant un barreau ou tube (1) en un matériau diélectrique associé à des électrodes (2) espacées l'une de l'autre, un moyen (3) de mesure de la variation de la résistance électrique résultant du dépôt des particules sur le barreau et des moyens de calcul (4) pour contrôler le degré d'encrassement de l'élément filtrant en fonction de la résistance électrique mesurée, adaptés à commander l'épuration de la sonde (S) et, pour certaines applications, de l'élément filtrant (6) lui-même.- Applications dans l'industrie automobile par exemple, pour contrôler l'accumulation dans un pot d'échappement, de particules carbonées ou suies évacuées dans les gaz de combustion d'un moteur thermique, par exemple.

Description

La presente invention concerne un dispositif pour contrôler le degré d'encrassement d'un élément filtrant traversé par un flux de gaz transportant des particules qui présentent une certaine conductivité, par mesure de la variation de résistance électrique entre des électrodes qui est affectée par le dépôt de ces particules.
Le dispositif selon l'invention trouve des applications dans tout système de filtration effluents gazeux transportant des particules présentant une certaine conductivité électrique. Il peut être utilisé notamment pour contrôler l'accumulation progressive dans un pot d'échappement (ci-après désignée par encrassement), de particules carbonées ou suies évacuées dans les gaz de combustion un moteur thermique Le dispositif peut déterminer les moments les mieux appropriés pour déclencher un processus de nettoyage de l'élément filtrant et commander ce processus.
Etat la technique Les moyens de filtration permettent de recueillir particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne avec des efficacités de filtration importante, de l'ordre de 80%. A titre illustratif peuvent être cités le monolithe céramique à base de cordiérite commercialisé par la société Coming ou le monolithe céramique en carbure de silicium commercialisé par la société Ibiden ou encore la cartouche à fibres céramiques enroulées commercialisé par la société 3M.
La difficulté technique rencontrée pour le développement et l'implantation des filtres à particules est qu'ils doivent être périodiquement régénérés par combustion du dépôt de suie afin d'éviter un colmatage de l'élément filtrant qui sera pénalisant sur le rendement du moteur mettra en péril bon fonctionnement. Cette combustion se produit parfois naturellement lorsque la température des gaz qui traversent le filtre atteint un niveau suffisant pour initier l'oxydation des particules. Cependant niveaux de temperature rencontrés à l'échappement des moteurs Diesel par exemple restent une très grande plage de fonctionnement, bien trop faibles pour permettre l'initiation de la combustion des suies. Il est alors nécessaire de mettre oeuvre des actions permettant de déclencher la régénération du filtre.
De nombreuses techniques ont été développées dans ce sens. Elles peuvent être basées sur des modifications des paramètres du fonctionnement du moteur tels que le taux d'EGR, la suralimentation, le retard de l'injection, le vannage à l'échappement, le vannage à l'admission, elles peuvent être liées à l'utilisation d'un catalyseur d'oxydation placé en amont de l'élément filtrant couplé à une post injection, ou encore, elles peuvent faire intervenir un apport externe d'énergie dans les gaz d'échappement ou au niveau du filtre par le biais de résistance électrique, de brûleur, de micro ondes, de plasma etc. Il est alors nécessaire de piloter ces différents dispositifs par une commande extérieure prise en charge par le calculateur.
Le critère de déclenchement de la régénération de l'élément filtrant peut être la variation de la contre-pression ou perte de charge mesurée aux bornes de l'élément filtrant qui- peut être corrélée à son état d'encrassement par les suies, comme décrit par exemple dans le brevet FR 2.755.623 du demandeur. Ce procédé de détection convient très bien en régime stabilisé. La mesure de la contre-pression permet également de détecter la combustion des suies accumulées dans l'élément filtrant, car, en régime stabilisé, elle chute avec la combustion du dépôt carboné. Cependant, la contre-pression à l'échappement est soumise à d'importantes fluctuations lorsque les conditions moteur ne sont pas stabilisées (température, débit d'air, etc.) C'est le cas pour un moteur de véhicule qui, dans les conditions usuelles de circulation, fonctionne très souvent en régime transitoire (accélération, décélération). La maîtrise de l'encrassement d'un élément filtrant en utilisant ce type de mesure difficile dans la pratique.
La régénération du filtre peut être facilitée par l'utilisation d'additifs dans le carburant à base, par exemple, d'éléments organo-métalliques ou de terres rares, qui se retrouve dans le dépôt de suies et catalyse l'oxydation des suies ce qui se traduit par un abaissement de la température d'initiation de la combustion du dépôt carboné. Parmi les produits les plus souvent utilisés, on peut citer, cérium, le strontium, le fer, etc. L'utilisation de ces 'léments permettent d'obtenir des régénérations à des températures comprises entre 200 C et 450 selon la nature du dépôt de suies. Cependant les températures rencontrées exemple à l'échappement de moteurs Diesel suralimentés, peuvent rester, pour certains types d'utilisation comme les trajets urbains, insuffisantes au déclenchement de la combustion des suies. La mise oeuvre de stratégies spécifiques faisant appels aux différents éléments déjà cités devient indispensable au bon fonctionnement du système.
Il connu également d'utiliser la variation de la résistance 'lectrique mesurée entre des points espacés le long de l'élément filtrant, variation qui est directement liée à son état d'encrassement, pour déterminer les instants les plus appropriés au déclenchement d'une action de régénération de l'élément filtrant.
Différents exemples d'utilisation de ces différentes techniques sont décrites exemple dans les brevets suivants : FR 2.760.531 du demandeur, EP 913.559, JP 10141113, GB 2<B>261613,</B> EP 488 386 ou DE 35 38 109. Quel que soit le moyen utilisé pour déclencher la régénération de l'élément filtrant, il est source de consommation d'énergie. Une bonne gestion du système passe par le contrôle de la phase de régénération. Plus précisément, la détection début de régénération du filtre permet de définir le moment où les moyens ' en oeuvre pour augmenter la température des peuvent être stoppés. La combustion des suies peut alors s'auto-entretenir raison de la forte exothermicité de la réaction d'oxydation des suies. Cela se traduit, notamment une limitation de la surconsommation du moteur liées à la mise en oeuvre stratégies de régénération de l'élément filtrant. Il notamment très important de pouvoir mesurer la quantité de suies accumulées dans un élément filtrant. Il est également important de pouvoir détecter une défaillance de l'élément filtrant Le dispositif selon l'invention Le dispositif selon l'invention permet d'évaluer le débit de particules transportées un flux gazeux (respectivement le degré d'encrassement d'un élément filtrant traversé par un flux gazeux transportant des particules), ces particules présentant une certaine conductivité électrique, par mesure de la variation de la conductivité électrique entre des électrodes, affectée par le dépôt entre elles de ces particules, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une sonde interposée localement dans le flux gazeux de manière à capter des particules en circulation, cette sonde incluant un élément allongé en un matériau diélectrique associé à des électrodes espacées l'une de l'autre, un moyen de mesure de la variation de la résistance électrique résultant du dépôt des particules sur l'élément allongé et des moyens de traitement adaptés à évaluer le débit de particules (respectivement pour évaluer le degré d'encrassement de l'élément filtrant) en fonction des variations de la résistance électrique mesurée. L'élément allongé comporte par exemple des discontinuités surface (une ou plusieurs rainures et/ou méplats ou bien il est réalisé en matériau présentant une certaine porosité, dans le but d'augmenter sa capacité de fixation des particules.
Les moyens de traitement comportent par exemple un calculateur connecté aux moyens de mesure des variations de la résistance électrique.
Le dispositif comporte aussi par exemple des moyens chauffants (tels que des résistances électriques) contrôlés par le dit calculateur, pour éliminer par combustion les particules accumulées sur la sonde quand sa resistance électrique descend au-dessous d'un certain seuil.
Le calculateur peut être adapté à mesurer la périodicité des opérations successives 'limination des particules accumulées sur la sonde, indicative du débit de particules dans le flux gazeux.
En ce concerne la mise en oeuvre du dispositif, il est possible d'implanter sonde vers l'amont (respectivement vers l'aval) de 'lément filtrant relativement au sens du flux gazeux, de manière à suivre son état d'encrassement (respectivement pour détecter une éventuelle défaillance de l'élément filtrant) et éventuellement de combiner les deux sondes amont et aval pour obtenir les deux informations.
Le calculateur est adapté par exemple à comparer la périodicité entre les opérations successives d'élimination des particules accumulées sur chaque sonde utilisée par rapport à une valeur de référence et à commander l'épuration de l'élément filtrant en fonction des variations de résistance mesurées par chacune des sondes. Dans le cas où l'élément filtrant est interposé dans le flux d'échappement d'un moteur thermique, les moyens de traitement sont adaptés egalement à commander l'épuration de l'élément filtrant en fonction des variations de résistance mesurées par la dite sonde, par modifications des paramètres de fonctionnement du moteur.
Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif réalisation, en se référant aux dessins annexés où la Fig.l montre schématiquement une sonde placée transversalement ' un flux gazeux chargé de particules conductrices ; - la Fig.2 montre un exemple de variation en fonction du temps, la résistance électrique mesurée par la sonde ; - la Fig.3 montre schématiquement un élément filtrant traversé par un flux gazeux et deux positions possibles A, B respectivement en amont et en aval où la sonde peut être placée ; - la Fig.4 montre schématiquement la succession des cycles de régénération de la sonde dans la configuration A qui permet d'évaluer la quantité de particules transportée par le flux gazeux et donc l'état d'encrassement de l'élément filtrant en bon état ; et - la Fig.5 montre schématiquement la succession des cycles de régénération de la même sonde pour un élément filtrant défectueux. Description détaillée La sonde d'encrassement S comporte un élément allongé 1 réalisé en un matériau diélectrique tel que de l'alumine, muni vers ses extremités, de bagues ou embouts en un matériau conducteur de l'électricité électrodes. Un appareil de mesure 3 est connecté électriquement aux deux embouts. Cet appareil mesure les variations de la résistance électrique (pratiquement infinie dans l'état initial) entre les embouts 2. Un calculateur est connecté à l'appareil de mesure pour surveiller l'évolution de la résistance inter électrodes et déclencher des actions périodiques de nettoyage la sonde S.
La sonde S est destinée à être implantée localement dans un écoulement gazeux EG transportant des particules conductrices. Il peut s'agir par exemple d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique où les brûlés évacuées du moteur, transportent des particules carbonées. Comme le montre la Fig.l, la sonde est de préférence disposée en travers du flux.
L'élément allongé isolant 1 peut se présenter sous différentes formes. Il peut s'agir d'un barreau cylindrique ou tubulaire. Pour améliorer sa capacité à recueillir et fixer des particules conductrices, on peut jouer sur sa porosité et/ou ménager à sa surface des inégalités ou discontinuités sur son bord d'attaque par exemple, de façon à éviter tout décollement des particules carbonées qui se sont déposées, telles que par exemple une ou plusieurs rainures ou méplats (non représentés).
La sonde S inclut de préférence des moyens chauffants S (des résistances électriques placées à l'intérieur du barreau par exemple) commandés par le calculateur 4, permettant de brûler les particules accumulées et ainsi de restaurer périodiquement sa capacité de mesure de l'encrassement. Utilisée comme moyen de mesure de la quantité de suies accumulées sur un élément filtrant 6, la sonde S est placée de préférence en amont de celui-ci (S1, Fig.3). Selon ce mode de réalisation, on se fixe un seuil encrassement, correspondant à une certaine valeur Ro de la résistance inter- 'lectrodes R mesurée aux bornes de l'appareil de mesure 3. Dès lors que l'on détecte la chute rapide de R jusqu'à la valeur seuil Ro, on déclenche une procédure de nettoyage ou régénération de la sonde S La vitesse ' laquelle la sonde S s'encrasse est directement en relation avec la quantité de suies présentes dans le flux gazeux EG. Le nombre N de cycles entre les instants successifs où la résistance R descend jusqu'à la valeur seuil Ro, en relation directe avec la quantité (Q suies filtre) de suies qui est passée dans le flux gazeux (Fig.4). L'efficacité de filtration de l'élément filtrant 6 étant connue, la quantité de suies qui y est accumulée est calculée par le calculateur 4 qui détermine les moments des opérations de nettoyage de l'élément filtrant 6 et commande les moyens de combustion des suies qui y sont accumulées.
La sonde peut également être placée également en aval l'élément filtrant 6 (S2 sur la Fig.3), et servir à détecter ses éventuelles défaillances. Le calculateur 4 dispose d'une valeur de référence, correspondant à la durée normale t', des cycles entre opérations successives de nettoyage de la sonde, si l'elément filtrant 6 est en bon état. Pour une même valeur du seuil d'encrassement fixé (au delà duquel un nettoyage est nécessaire), le calculateur 4 compare la durée effective t'2 des cycles à la valeur de référence.
lors qu'une fuite éventuelle apparaît sur l'élément filtrant 6 modifiant la vitesse de formation du pont conducteur entre les électrodes, le calculateur 4 détecte l'anomalie et peut déclencher une alarme. La périodicité t'2 est très largement supérieure à la périodicité t'1 quand l'élément filtrant est en bon état. A titre d'exemple, t' peut être de l'ordre de plusieurs dizaines d'heures alors que t'2 peut descendre à quelques heures voire beaucoup moins.
Dans le cas où gaz seraient issus d'un moteur thermique, il est possible éventuellement de déclencher simultanément l'épuration de l'élément filtrant 6 en modifiant les paramètres de fonctionnement du moteur pour augmenter temporairement la température des gaz. Par la même occasion, on épure également la (ou chaque) sonde S.

Claims (13)

REVENDICATIONS
1) Dispositif pour evaluer le débit de particules présentant une certaine conductivité électrique transportées par un flux gazeux (EG), par mesure de la variation de la conductivité électrique entre des électrodes, affectée par le dépôt entre elles de ces particules, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une sonde (S) interposée localement dans le flux gazeux de manière à capter des particules en circulation, cette sonde incluant un élément allongé (1) en un matériau diélectrique associé à des électrodes (2) espacées l'une de l'autre, un moyen (3) de mesure de variation de la résistance électrique résultant du dépôt des particules sur l' 'lément allongé (1) et des moyens de traitement (4) adaptés à évaluer le débit de particules en fonction des variations de la résistance électrique mesurée.
2) Dispositif pour évaluer le degré d'encrassement d'un élément filtrant (6) traversé par un flux gaz (EG) transportant des particules qui présentent une certaine conductivité 'lectrique, par mesure de la variation de la résistance électrique entre des électrodes affectée par le dépôt entre elles de ces particules, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une sonde (S) interposée localement dans le flux gazeux de manière à capter des particules en circulation, cette sonde. incluant un élément allongé (1) en un matériau diélectrique associé à des électrodes (2) espacées l'une de l'autre, un moyen (3) de mesure de la variation de la résistance électrique résultant du dépôt des particules sur l'élément allongé (1) et des moyens de traitement (4) adaptés à évaluer le degré d'encrassement de l'élément filtrant (6) en fonction des variations de la résistance électrique mesurée.
3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caracterisé en ce que l'élément allongé (1) comporte des discontinuités de surface dans le but d'augmenter sa capacité de fixation des particules.
4) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les discontinuités surface comportent au moins une rainure ou méplat.
5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément allongé (1) est réalisé en un matériau présentant une certaine porosité, dans but d'augmenter sa capacité de fixation des particules.
6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent un calculateur (4) connecté au moyen (3) de mesure des variations de la résistance électrique.
7) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent un calculateur (4) connecté au moyen (3) de mesure des variations de la résistance électrique.
8) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens chauffants (5) contrôlés par le dit calculateur (4), pour éliminer par combustion les particules accumulées sur la dite sonde (S) quand la résistance électrique de la sonde descend au-dessous d'un certain seuil.
9) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens chauffants (5) sont des résistances électriques incluses dans l'élément allongé.
10) Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le calculateur est adapté à mesurer la périodicité entre les opérations successives d'élimination des particules accumulées sur la sonde, indicative du débit de particules dans le flux gazeux.
11) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, caracterisé en ce que la dite sonde (S l) est implantée vers l'amont de l'élément filtrant (6) relativement au sens du flux gazeux, de manière à suivre son état d'encrassement.
12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en que qu'il comporte une autre sonde (S2) implantée vers l'aval de l'élément filtrant (6) relativement au sens du flux, pour détecter une éventuelle défaillance de l'élément filtrant (6).
13) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, caracterisé en ce que la dite sonde (S2) est implantée vers l'aval de l'élément filtrant (6) relativement au sens du flux gazeux, de manière à détecter une éventuelle défaillance de l'élément filtrant (6). Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en que qu'il comporte autre sonde (S1) implantée vers l'amont de l'élément filtrant (6) relativement au sens du flux, de manière à suivre son état d'encrassement. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le calculateur (4) étant adapté à comparer la périodicité (t' entre les opérations successives d'élimination des particules accumulées chaque sonde 1, par rapport à une valeur de référence (CI). 16) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que les moyens de traitement (4) sont adaptés également à commander l'épuration de l'élément filtrant (6) en fonction des variations de résistance mesurées par la dite sonde (S). 17) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que, l'élément filtrant étant interposé dans le flux d'échappement d'un moteur thermique, les moyens de traitement (4) sont adaptés également à commander l'épuration de l'élément filtrant (6) en fonction des variations de résistance mesurées par la dite sonde (S), par modifications des paramètres de fonctionnement du moteur.
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