FR2847671A1 - Dispositif de mesure de la quantite de particules contenues dans un fluide, notamment dans les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la quantité de particules contenues dans un fluide comprenant au moins un élément diélectrique (10, 12) comportant une face collectrice sur laquelle se déposent les particules et un moyen de mesure (32) de la résistance électrique de l'élément diélectrique (10, 12).Selon l'invention, le dispositif comprend un générateur de forces (40,42) pour diriger lesdites particules vers la face collectrice (16,18) de l'élément diélectrique (10,12).
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif pour mesurer la quantité
de particules contenues dans un fluide.
Elle vise notamment le domaine de la gestion de l'encrassement d'un élément filtrant parcouru par un fluide transportant des particules, telles que des
particules carbonées ou suies présentant une certaine conductivité.
Plus particulièrement, l'invention trouve son application dans la mesure de quantité de particules carbonées traversant un filtre à particules placé dans la
ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne.
Ces moteurs, et plus spécialement les moteurs Diesel, génèrent des quantités de particules particulièrement élevées et leurs lignes d'échappement peuvent être équipées de moyens de filtration qui retiennent ces particules avec des efficacités de filtration très importantes pouvant aller jusqu'à quasiment
100%.
Le problème de l'utilisation de tels filtres est qu'ils doivent être périodiquement régénérés, notamment par combustion du dépôt des particules,
afin d'éviter un colmatage du filtre par encrassement.
En effet, le colmatage du filtre entraîne une augmentation de la contre pression à l'échappement, ce qui a pour effet d'accroître la consommation en carburant du moteur. Dans le cas extrême d'un colmatage total de ce filtre, cela
peut entraîner un arrêt complet du fonctionnement de ce moteur.
La régénération par combustion d'un filtre à particules se produit parfois naturellement, lorsque la température des gaz d'échappement a atteint le
niveau nécessaire pour oxyder les particules présentes sur ce filtre.
Toutefois, les conditions de fonctionnement moyennes du moteur font que les niveaux de température des gaz d'échappement ne sont pas suffisants pour assurer la régénération du filtre et il est alors nécessaire de déclencher artificiellement la combustion des particules lorsque l'encrassement du filtre a
atteint un certain seuil.
Pour ce faire et comme cela est mieux décrit dans les demandes de brevet français No 2 760 531 et No 2 805 347, il est prévu d'utiliser la variation de la résistance électrique mesurée entre des points espacés le long d'une surface d'un élément diélectrique sur laquelle se déposent les particules. Plus précisément, il est prévu de disposer cette surface collectrice de l'élément diélectrique, généralement en céramique, transversalement par rapport au sens d'écoulement des gaz d'échappement et de mesurer la résistance électrique de cette surface par l'intermédiaire de bornes de mesure
placées à deux de ses extrémités.
En absence de particules, la résistance mesurée est infinie et, au fur et à mesure du dépôt de particules, le contact s'établit entre les bornes et la résistance diminue. Cette variation de résistance est liée directement à la quantité de particules présentes sur la surface collectrice de l'élément
diélectrique.
Cette variation de résistance permet donc de mesurer la quantité de particules qui ont potentiellement traversé le filtre durant un laps de temps donné et d'envisager les actions nécessaires à la suite de cette mesure, telles que la régénération de ce filtre par chauffage, apport d'énergie dans les gaz d'échappement, Neammoins, le demandeur a pu constater que la mesure effectuée n'était pas représentative de la quantité réelle de particules présentes dans les gaz d'échappement. En effet, la formation du dépôt des particules sur l'élément diélectrique peut dépendre fortement des conditions d'écoulement des gaz d'échappement
qui lui-même est tributaire des conditions de fonctionnement du moteur.
A forte vitesse d'écoulement des gaz d'échappement, généralement lorsque le moteur est à un régime élevé, une partie des particules présentes dans les gaz heurte la surface de l'élément diélectrique, rebondit sur cette surface et est réentraînée par les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. De ce fait, les particules collectées sur l'élément diélectrique ne sont pas le reflet exact de celles présentes dans les gaz et, suite à la mesure de la résistance de la surface collectrice, les actions à entreprendre ne seront réalisées que plus tardivement alors que celles-ci s'avèrent nécessaires à l'instant de la mesure. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un dispositif de mesure plus fiable et
indépendant des conditions de fonctionnement du moteur.
A cet effet, le dispositif pour mesurer la quantité de particules contenues dans un fluide comprenant au moins un élément diélectrique comportant une face collectrice sur laquelle se déposent les particules et un moyen de mesure de la résistance électrique de l'élément diélectrique est caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de forces pour diriger lesdites particules vers la face
collectrice de l'élément diélectrique.
Préférentiellement, le générateur de forces peut être constitué par un
générateur de champ électrique.
Le générateur de forces peut être constitué par un générateur de champ magnétique. De manière avantageuse, le générateur peut comprendre deux éléments
conducteurs d'électricité entre lesquelles circulent les particules.
Le générateur peut comprendre deux éléments conducteurs d'électricité
en forme de lames disposées sensiblement parallèles l'une de l'autre.
Le générateur peut comprendre deux éléments conducteurs d'électricité
tubulaires sensiblement coaxiaux et imbriqués l'un dans l'autre.
En outre, au moins un élément conducteur d'électricité peut porter un
élément diélectrique.
L'élément conducteur d'électricité peut être formé par une couche de métal déposée par métallisation sur l'élément diélectrique. De manière préférentielle, l'élément diélectrique peut comporter des
moyens de chauffage.
L'élément diélectrique peut porter deux bornes pour la mesure de sa
résistance électrique.
De plus, l'élément diélectrique peut être imprégné d'au moins un catalyseur. Le fluide peut être un gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Le dispositif peut être appliqué à l'évaluation d'un dépôt de suie pour
contrôler la régénération d'un filtre à particules et/ou d'un catalyseur.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et
non limitatif, en se référant aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 illustre, de manière schématique, un dispositif de mesure de la quantité de particules selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en perspective de la figure 1; et - la figure 3 est une variante du dispositif de mesure de la quantité de
particules selon l'invention.
En se rapportant aux figures 1 et 2, le dispositif de mesure de la quantité de particules P comprend deux éléments diélectriques 10, 12, de type céramique, disposés en regard l'un de l'autre et à distance l'un de l'autre de manière à laisser subsister une zone 14 à travers de laquelle circulent les gaz d'échappement (flèche A). Ces éléments sont préférentiellement sous la forme de plaques parallélépipédiques, de préférence rectangle, dont les grandes faces collectrices 16, 18 en regard sont sensiblement parallèles entre elles et
aux lignes principales d'écoulement des gaz d'échappement.
L'une 10 au moins des plaques porte deux bornes de mesure 20, 22 sous la forme de barrettes conductrices d'électricité sensiblement parallèles noyées dans la plaque et dont un bord 24, 26 fait saillie au-delà de la face collectrice 16 ou affleure cette face. Ces barrettes sont disposées chacune au voisinage des extrémités supérieure et inférieure de la plaque en étant parallèles au sens de circulation des gaz d'échappement et forment chacune une borne reliée par des conducteurs électrique 28, 30 à un moyen de mesure 32 de la résistance
électrique de cette plaque.
La plaque comprend également des moyens de chauffage 34 consistant en une résistance électrique chauffante alimentée par une source électrique, telle qu'une batterie (non représentée), grâce à des conducteurs 36, 38. Cette résistance est intégrée dans le corps de la plaque et permet, lorsqu'elle est alimentée, d'assurer la régénération de cette plaque par combustion des
particules collectées.
Chaque plaque 10, 12 porte, sur la face opposée à sa face collectrice, un élément conducteur d'électricité 40, 42 qui, dans l'exemple représenté, a une
configuration de lame métallique s'étendant sur toute la superficie de la face.
Ces lames sont également sensiblement parallèles entre elles et à la direction d'écoulement des gaz d'échappement. Chaque lame est raccordée à un conducteur électrique 44, 46 dont la connexion à une borne d'une source électrique (non représenté) permet de former une anode et une cathode. Lors de la mise sous tension, cette anode et cette cathode constituent les pôles d'un
générateur de champ électrique générant des lignes de forces.
Ce champ électrique (flèche F), qui est globalement sensiblement perpendiculaire aux faces collectrices 16, 18, crée des lignes de champ électrique ou lignes de forces qui traversent les plaques d'une lame à l'autre et exercent une action sur les particules présentes dans les gaz d'échappement qui circulent dans la zone 14. Comme cela a déjà été constaté, les particules qui circulent dans ces gaz s'entrechoquent non seulement les unes contre les autres mais aussi avec les molécules de ces gaz et, suite à ces chocs, perdent ou gagnent des électrons
en se chargeant positivement ou négativement.
En conséquence, les particules carbonées, qui présentent une certaine conductivité, sont soumises aux forces électriques que génère le champ électrique et ces particules sont déviées de leurs trajectoires initiales pour être attirées vers la lame de polarité contraire à celle des particules, comme cela est représenté à titre d'exemple par la flèche D sur les figures 1 et 2. Ces particules
sont ainsi collectées sur la face collectrice de la plaque portant cette lame.
Un dépôt de particules carbonées se forme donc sur la face collectrice 16 de la plaque 10, établit une liaison électrique entre les barrettes 20, 22 et la résistance électrique de cette face est modifiée, comme cela peut être
facilement quantifié par le moyen de mesure 32.
Il a été démontré que, durant la circulation de ces particules, la répartition entre les particules de polarité positive et celles de polarité négative est sensiblement égale. Il est donc possible de connaître, par une simple corrélation de la résistance mesurée, la quantité de particules collectées sur la face collectrice 16 et, par extrapolation, la totale quantité de particules
collectées et contenues initialement dans les gaz d'échappement.
Bien entendu, les moyens de chauffage 34 peuvent être commandés en fonction de différents critères pour brler les particules accumulées sur la face collectrice 16 et ainsi restaurer périodiquement la capacité de mesure de ce
dispositif.
Il peut aussi être prévu que les moyens de chauffage 34 soient conformés de telle manière qu'ils puisent initier la combustion des particules carbonées à
la fois sur la face 16 et sur la face 18 des plaques 10 et 12.
Il peut être également envisagé que, outre les moyens de chauffage 34 de la plaque 10, des moyens de chauffage soient aussi disposés à l'intérieur du corps de la plaque 12, par exemple sous la forme d'une résistance électrique identique à celle que porte la plaque 10, pour brler les particules collectées sur
la face 18 simultanément avec la combustion de particules de la face 16.
Sans sortir du cadre de l'invention, un convergent peut être disposé à l'entrée de la zone de circulation 14 des gaz d'échappement de façon à faciliter l'introduction de ces gaz. A titre d'exemple, ce convergent peut être réalisé par un chanfrein sur les tranches avant des plaques 10, 12, comme cela est
représenté en pointillé sur la figure 1.
L'avantage de ce dispositif de mesure réside dans la possibilité de ne pas être tributaire des conditions de circulation des gaz. Il est en effet possible de fixer la puissance du champ électrique de telle sorte que toutes les particules traversant la zone 14 soient collectées sur les faces collectrices et éviter, grâce à la force électrique, que les particules soient réentraînées par les gaz d'échappement. De plus, dans le cas de l'utilisation de ce dispositif de mesure à la gestion d'un filtre à particules, son intérêt réside dans le fait que la face collectrice 16, sur laquelle s'effectue la mesure de la résistance, s'encrasse de la même
manière que le filtre.
Ainsi, dans le cas o ce dispositif est placé en amont d'un filtre à particules, il est aisé de connaître en temps réel le taux d'encrassement du filtre
et de déclencher les actions de régénération de ce filtre au moment approprié.
En outre, en disposant ce dispositif de mesure après le filtre à particules, il est possible d'évaluer la performance de ce filtre et d'en détecter une éventuelle défaillance. Ceci est particulièrement utile dans le cadre de diagnostic d'équipements de véhicule de type " OBD " (On Board Diagnostic) qui permet de déclencher une alarme visuelle ou sonore au tableau de bord de ce véhicule
en cas de défaillance de ce filtre.
De plus, en connaissant à tous moments la quantité de particules présentes dans les gaz d'échappement, il est possible de piloter au plus juste les stratégies moteur. On se reporte maintenant à la figure 3 qui est une variante des figures 1 et
2 et qui pour cela comporte les même références.
Ce dispositif comprend deux éléments diélectriques céramiques 10, 12 en forme de tubes cylindriques coaxiaux imbriqués l'un dans l'autre. Ces tubes ont des diamètres internes et externes tels qu'ils permettent de laisser subsister entre eux une zone 14 pour la circulation des gaz d'échappement. Les deux parois cylindriques en regard l'une de l'autre des tubes forment les faces collectrices 16, 18 des éléments diélectriques, c'est-à-dire les faces sur lesquelles sont collectées les particules contenues dans les gaz d'échappement
circulant sensiblement coaxialement aux tubes (flèche A).
Le tube extérieur 10 porte deux bornes de mesure 20, 22 de la résistance électrique de la face collectrice 16. Ces bornes, sous la forme de barrettes, s'étendent axialement le long du tube extérieur tout en ayant un bord saillant 24, 26 à partir de la face collectrice 16 ou affleurant cette face. Comme précédemment décrit en relation avec les figures 1 et 2, ces barrettes sont
reliées à un moyen de mesure de résistance par des conducteurs 28, 30.
Ce tube extérieur porte également des moyens de chauffage 34 consistant en une résistance électrique noyée dans la masse de ce tube et
alimentée en courant par des conducteurs 36, 38.
Des éléments conducteurs d'électricité sont disposés sur les parois
cylindriques opposés aux faces collectrices de chaque tube.
Plus particulièrement, chaque tube 10, 12, porte, sur la paroi cylindrique
opposée à sa face collectrice 16,18, une enveloppe tubulaire métallique 40, 42.
Ces enveloppes tubulaires sont reliées par des connecteurs 44, 46 à une source de courant de manière à former un dipôle constitué d'une anode et
d'une cathode.
Lorsque les enveloppés sont mises sous tension, il se crée un champ électrique (flèches F) qui a une direction radiale tout en restant sensiblement
perpendiculaire aux faces collectrices 16, 18 des tubes 10, 12.
Les particules contenues dans les gaz d'échappement qui circulent dans la zone 14 seront collectées sur les faces collectrices 16, 18 comme cela a été
précédemment décrit en relation avec les figures 1 et 2.
Bien entendu, l'entrée du volume intérieur de l'enveloppe 42 peut être obstruée ou pourvue d'un divergent de manière à ce que la majorité des gaz
circule dans la zone 14.
De manière avantageuse, les éléments conducteurs d'électricité 40, 42 des figures 1 à 3 peuvent être formées par une couche de métal qui est déposée sur les faces opposées aux faces collectrices 16, 18 lors d'une
opération dite de métallisation.
De manière encore plus avantageuse, ce dispositif peut être utilisé, avec des modifications mineures, en combinaison avec des filtres catalytiques ou catalyseurs, notamment avec des catalyseurs dits " 4 voies ". Ces catalyseurs sont généralement des catalyseurs imprégnés de phases catalytiques, notamment à base de métaux nobles, qui permettent de réduire et/ou oxyder
et/ou stocker les polluants des gaz d'échappement, comme les NOx.
Dans ce cas, il est nécessaire de disposer d'une surface collectrice de ce filtre libre de tout encrassement par les particules afin de maintenir intactes les
propriétés catalytiques de la surface de ce filtre.
Avec le dispositif de mesure décrit précédemment, il est prévu que les faces collectrices des éléments diélectriques soient enduites des mêmes phases catalytiques que celles du catalyseur. Ces faces subiront donc les
mêmes conditions d'encrassement que le catalyseur.
Grâce à cela, des actions de régénération du catalyseur peuvent être préventivement entreprises avant que la résistance mesurée du dépôt de particules sur les faces collectrices ne permette de détecter un taux
d'encrassement néfaste à la catalyse.
Cela permet également d'avoir une stratégie de contrôle très précise de la quantité de particules contenues dans les gaz d'échappement et d'envisager
une régénération du catalyseur la plus continue possible.
Cette limitation en encrassement de la surface permet, en outre, d'éviter une combustion trop violente de ces particules, ce qui risque de détériorer la
couche d'enduction, dit " wash-coat ", que porte habituellement ce catalyseur.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrit ci-dessus
mais englobe toutes variantes.
Notamment, il peut être prévu que le champ dans la zone 14 soit un
champ d'origine magnétique ou électromagnétique.
Dans le cas d'un champ magnétique, les lames ou les enveloppes 40, 42 représentent les pôles opposés d'un aimant permanent. Dans le cas d'un champ électromagnétique, les lames ou les enveloppes sont un dipôle qui génère un champ magnétique lorsqu'ils sont mis sous tension. Les particules qui traversent ce champ sont soumises aux forces magnétiques de ce champ et
sont donc dévies de leurs trajectoires vers les faces collectrices.
Claims (14)
1) Dispositif pour mesurer la quantité de particules contenues dans un fluide comprenant au moins un élément diélectrique (10, 12) comportant une face collectrice sur laquelle se déposent les particules et un moyen de mesure (32) de la résistance électrique de l'élément diélectrique (10, 12), caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de forces (40, 42) pour diriger lesdites
particules vers la face collectrice (16,18) de l'élément diélectrique (10, 12).
2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur
de forces est constitué par un générateur de champ électrique.
3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur
de forces est constitué par un générateur de champ magnétique.
4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que le générateur comprend deux éléments conducteurs d'électricité (40, 42)
entre lesquelles circulent les particules.
5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que le générateur comprend deux éléments conducteurs d'électricité en forme
de lames (40, 42) disposées sensiblement parallèles l'une de l'autre.
6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le
générateur comprend deux éléments conducteurs d'électricité tubulaires (40,
42) sensiblement coaxiaux et imbriqués l'un dans l'autre.
7) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'au
moins un élément conducteur d'électricité (40, 42) porte un élément diélectrique
(10, 12).
8) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que
l'élément conducteur d'électricité (40, 42) est formé par une couche de métal
déposée par métallisation sur l'élément diélectrique (10, 12).
9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que l'élément diélectrique (10, 12) comporte des moyens de chauffage (34).
) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que l'élément diélectrique (10, 12) porte deux bornes (20, 22) pour la mesure
de sa résistance électrique.
11) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que l'élément diélectrique (10, 12) est imprégné d'au moins un catalyseur.
12) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est
un gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne.
13) Application du dispositif selon l'une des revendications précédentes à
l'évaluation d'un dépôt de particules pour contrôler la régénération d'un filtre à
particules.
14) Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 à
l'évaluation d'un dépôt de particules pour contrôler la régénération d'un catalyseur.
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