Brevet FR2017173A1 — publié le 19700522

Pour analyser les gaz â*échappement des îssteurs à combustion interne, il existe deux systèmes différents basés sur deux principes différents. Selon le premier système on utilise un élément chauffé par une source d'énergie et lavé par le gaz à iïïtalyser dont la température finale, du fait de la variation ds la conductibilité thermique du gaz à analyser en fonction de sa composition, dépend de la composition du mélange gazeux. La température finale peut être détectée, par exemple^ au moyeu dsiœ élément sensible approprié qui délivre un signal de sortie représentatif de la composition du mélange gazeux. La conductibilité thermique du mélange est minimale lorsque, dans un moteur à combustion interne, la combustion est stoechio-métrique, c'est-à-dire quand le rapport air/combustible du mélange d'alimentation du isoteur est tel que la combustion soit complète. Dans un tel cas les gaz d'échappamaat ns contiennent pratiquement pas de C0 ou de esseatielleiaerat ân G0gS de l'azote et de la vapeur d'eau, laquelle est évacuée par condensation. Au delà et en deçà de ce point la conductibilité thermique augmente, l'élément est mieux refroidi et par suite sa température tombe. Il est clair par suite que deux valeurs particulières du rapport air/combustible, respectivement au dessus et au dessous de la stoechio-métrie conduisent aux mêmes indications de l'instrument de mesure ; autrement dit, l'indication de l'instrument de part et d'autre du point de stoechiométrie n'est pas univoque. Il est alors impossible de déterminer avec certitude si la -valeur du rapport air/combustible est trop grande ou trop petite, autrement di£s si 1® mélange alimentant les cylindres est pauvre ou riche. En particulier dans le cas des moteurs modernes pour lesquels une adaptation exacte de la composition du mélange combustible à l'absence de charge ou & une charge partielle est essentielle, non seulement pour éviter autant que possible la pollution atmosphérique mais aussi pour éviter la détérioration du moteur, les analyseurs de gaz d'échappement fonctionnant suivant le principe ci-dessus soïit sssiïis satisfaisants. Dans le second système, également, on chauffe ssn élément par une source d'énergie constante, mais ici on fournit une telle quantité d'énergie que l'élément est porté à une température sssffisasEGssit élevés pour réaliser une combustion catalytique en présence d'une alimentation es air, des constituants combustibles encore disponibles dans les gag û'ëeï5c.ppsno;a£. Lorr.oae la composition du mélange est telle que la combustion dans le moteur se produit au-dessous du point de stoechiométrie, le mélange étant trop riche, la température de l'élément qui, dans ce cas également, est détectée par un élément 27488 2017173 sensible approprié» augmentera avec des valeurs décroissantes du rapport air/ combustible, puisqu'alors il y aura une concentration accrue de constituants combustibles dans le mélange des gaz d'échappement et d'air. Au-dessus du point de stoechiométrie il y a évidemment beaucoup d'air dans le œélange d'alisectation dw Ecstear ®S par raite le gaz d'échappement est dépourvu de tout esoetîCcasÊ e©s>Sn£a6ible. signal de œsure feusni par l'éléJEcae c^oifele variera Sosse e® A*mi sS£ae@s trop riche, jus qu'à ce qu'on eeesigae le s6??3sM«srJ6ri/j ^our rsstsz ensuite rastut. Ceci implique cepsodaat qu'il ac.fc utilisant «n tel SBai.raur de gas d'échappement de régies la sompositîea «fu Eâlaage gazeux sliae^tciit eat teur à cotabuction interne de manière qu'il soit- légèrement pauvre, ce qui par exemple est recherché pour les moteurs Diesel. Ceci constitue un inconvénient et se traduit par une limitation des possibilités d'emploi d'analyseurs de gaz fonctionnant suivant le système ci-dessus. L'invention est basée sur une combinaison appropriée des deux systèmes qui permettent à la fois d'en éliminer les inconvénients et d'en conserver les avantages. A cet effet, l'analyseur de gaz d'échappement selon l'invention comprend un premier élément chauffé par une certaine source d'énergie, dont la température finale, détectée par un premier élément sensible et donnant lieu à un premier signal de masure, rend compte de la conductibilité thermique des gaz d'échappement qui s'écoulent le long dudit premier élément, et un second élément, chauffé également par une certaine source d'énergie à une température de fonctionnement suffisamment élevée pour brûler catalytiquenent les constituants combustibles du mélange gaz d'échappement/air, en sorte que sa température détectée par un second élément et donnant lieu à un second signal de mesure, rende compte du pouvoir calorifique des gaz analysés, ce second signal de mesure qui va du point de stoechioaétrie à des valeurs décroissantes du rapport air'e-.zabustible, augmentant plus vite que le premier signal de ne-sure daaas csc esaditions, les deux signaux de mesure obtenus servant à al intenter un circuit qui fcarnit un signal de sortie proportionnel à la dL fférence entre les deux signaux de mesure. Comme on le verra d'après la description,1'avantage du système selon l'invention réside en ce que, en cas de variation du rapport air/combustible du mélange d'alimentation du moteur allant d'une valeur inférieure à la stoechioraétrie è une valeur supérieure à la stoechiométrie, on obtient de l'instrument de mesure une indication univoque continue. On premier mode de réalisation comprend un premier élément de fil BAD ORIGINAL 69 27488 2017173 métallique relié à un circuit électrique de mesure de telle manière que la résistance de l'élément en période de fonctionnement, et par suite le (premier) signal de sortie du circuit de mesure, soit une rassure de la conductibilité thermique des gaz d'échappement analysés qui passent au long de cet élé-5 ment, et un second élément métallique relié à un second circuit de rassure, et ayant, en période de fonctionnement, une température telle que les constituants combustibles du mélange "gaz d'échappement-air" analysé qui passent su long de ce second élément soient brûlés catalytiquement, en sorte que la résistance du second élément et par suite le (second) signal de sortie du se-10 coad circuit de mesure, constituent une mesure du pouvoir calorifique des gaz analysés, tandis que le second signal de sortie allant du point de stoeehio-métrie à des valeurs faibles du rapport «ir/combustible, s'accroit relativement plus vite que le signal de sortie du premier circuit de mesure dans ces conditions, ces deux signaux de sortie alimentant un circuit de soustraction 15 qui fournit à sa sortie un signal de mesure proportionnel à la différence entre les deux signaux de sortie. Le courant traversant l'élément de fil métallique chauffe celui-ci de telle manière que le fil de mesure atteigne une certaine température finale. La mesure sur la base de la conductibilité thermique donne une terapé-20 rature finale du fil métallique qui est influencée parla conductibilité thermique des gaz entourant le fil de mesure ; dans le cas où l'élément de fil métallique sert & déterminer le pouvoir calorifique des gaz d'échappement,, cette température est déterminée par les constituants combustibles des gas d'échappement. 25 Les variartions de résistance des éléments de fils métalliques sont représentatifs de leurs variations de température. Les deux éléments de mesure peuvent être reliés à deux branches opposées d'un circuit en pont de Wheatstone, les deux autres branches du pont comprenant chacune un élément de référence de manière qu'à travers chacun des 30 éléments de mesure et l'élément de référence qui lui est aso©ciés passe le mSme courant, la tension de sortie du pont étant lue sur un indicateur. Il est également possible de combiner chaque élément de mesure et l'élément de référence associé avec un circuit diviseur ds Cension qui es£ relié à une source de tension, les différentes dérivations âas circuits di*ji.E±urs 35 de tension étant chacune reliée, par 1 'intermédiaire d'une résistance réglable, à l'entrée-d'un amplificateur opérationnel fonctionnant comma amplificateur additionneur, à laquelle on applique une tension d'équilibrage au soyen d'une résistance réglable. BAD ORIGINAL 69 27488 2017173 Le dispositif comple t peut comprendre un tube d'alimentation en gaz d'échappement à analyser, communiquant, par un premier orifice calibré, avec une première chambre de mesure contenant l'élément de mesure servant à mesurer la conductibilité thermique, cette première chambre de mesure étant 5 également reliée à un tube d'aspiration et coramuni;uant par un second orifice calibré avec une seconde chambre de mesure contenant l'élément de mesure servant à la détermination du pouvoir calorifique des gaz d'échappement, la seconde chambre de mesure étant de même reliée au tube d'aspiration et cotamu-niquaût par un troisième orifice calibré avec l'atmosphère extérieure. 10 L'invention sera mieux comprise en se référant aux dessins anne xés dans lesquels : Les figures 1 et 1 donnent des représentations graphiques qui â c explicitent le principe de l'invention. La figure 2^ représente le schéma d'un premier mode de réalisa-15 tion de circuit de mesure. La figure 2^ est une représentation graphique illustrant le résultat obtenu avec le système de la figure 2^. La figure 3^ représente le schéma d'un second circuit de mesure. La figure 3^ est une {. représentation graphique illustrant le 20 résultat obtenu avec ce second mode de réalisation. La figure 4 représente schématiquement une structure possible d'analyseur de gaz d'échappement selon l'invention. La figure 1 illustre comment, dans un. analyseur de gaz d'échap-pement, fonctionnant d'après le principe de la conductibilité thermique, la 25 conductibilité Wg du gaz d'échappement d'unuwoteur à combustion interne, varie en fonction du rapport air'combustible (A/c) du mélange qui alimente le moteur. Cette conductibilité thermique Wg, portée sur l'axe des Y, ast à son minimum au point stoechiométrique S, c'est-à-dire lorsque le rapport air/ combustible a une valeur telle que la combustion dans le moteur à combustion 30 interne s'effectue stoechiométriquement. Comme la ^résistance de l'élément de fil métallique de mesure ainsi que la tension de sortie du pont de mesure, varie de la même façon que la conductibilité thermique Wg, l'indication fournie par l'indicateur, auttôur du point stoechiométrique n'est pas univoque ; à une valeur de la tension de sortie Vu^, indiquée par la lettre a, corres-35 pondent respectivement deux valeurs du rapport air/combustible A^, A^, qui sont respectivement en-deçà et au-delà du point stoechiométrique. La figure 1^ concerne le système d'analyse du gaz d'échappement h ... BAD ORIGINAL 27488 5 2017173 selon lequsl on brûle par catalyse en présence d'air additionnel les composants combustibles d'un mélange des gsz d'échappement à analyser. Sur l'axa des Y on porte l'élévation de fierapêrature de 1'élément de mesure en fil métallique en fonction du rapport air/combustible de Mélange combustible qui alimente le moteur ; à «ne forte tempérâtes® de l'élément métallique de mesure correspond «ne valeur élevée de la résistance de cet élément. Au-dessus du point stoechiométrique,, c'est-à-dire quasid oa alimente le moteur avec un mélange pauvre (ayant un excès d'air)s ie gas d'échappement est dépourvu de constituants combustibles et par suite iï v.a se produit aucune variation de la résistance de l'élément métallique de mesure, ni donc de la tension de sortie Vurs du circuit de mesure qui c'y rapporte. Il est donc impossible au moyen d'un tel analyseur, de régie™ 1e système combustible d'un moteur, de telle façon quels mélange soie plutôt pauvre, puisque au-dessus du poist de s«:«ecMcm5£rie 5 1 * indicateur s'est plus sensible aux variations de la corap©»f.ti©» du mélange. L*lavesiite, ce propose de combiner les deux systèmes. Quand le ciscuii. 4e xssurs pour l'analyse par combustion catalytique est réalisé de telle manière que lorsque les rapports air''combustible toabent au-dessous du point stoechiométrique, sa tension ds sortie augmente relativement plue vite que celle du circuit de masure basé sur la méthode de conductibilité thermique -en elle-même très simple- de sorte que, lorsqu'on retranche l'une de l'autre les tensions de sorties obtenues par ces deux circuits de Essure» la tension résultante Vu^ - Vu^ variera en fonction du rapport air/coastesti-ble, de la manière indiquée à la figure lc„ Comme il est indiqué, là tension de mesure varie de façon CG3-tinue de même que 19indication de 1*iaatruœnt de masure lorsqu'on chasage le rapport air/combustible (A/C), mse une indication univaque autour «lu point stoechiométrique et une indication continue au-dessus du point stoeehioisé-trique. La figure 2 représente le ech&vi d'un circuit électrique d'un analyseur de gaz d'échappement selon 15 invention, forma en pont de Wheat-stone. La figure représente une source d® coursât continu E et les quatre résistances à R^, qui sesnt, en fait : R^ : l'élément métallique de mesure fonctionnant donna®:»: la mesure basée sur la conductibilité thermique » Rg : l'élément métallique de référence pour cette mesure ; BAD ORIGINE 69 27 488 6 2017173 : l'élément métallique de référence pour la mesure basée s«r la combustion eatalj'Cîiqsss ; R^ : l'élément métallique de mesures pour cette ir«aur«„ La figure 2^ rep-éssate la variation de la résistance de l"&~ 5 iéraent métallique de assure R^ en foncticm d» rapport Ji'r/combustible (A/C). Cette figare représente aussi la variation â© la teu- î -:ïî Vj eatre les bornes de la résiacesse As référence 8-, eorssadrôe »«;; 3cSiss -r?® R, ea fcscfcisa du ?8ppo?t siff/ccctfticti&le C/t*?). "L'2 EigîHîC© HSBÏÏlCù CJLÏCJL Cl G la £-3J)XS£aHjtc£c> ZS±C>îsOG 2C era fcraceic» ® £"a las bmcaes és la résistance E^, prero^Ês par les variations de 8^. Il est clair que la tension - ?7, mesurée par l'instrument de mesure M efc représentée par le graphique de la figure 2» varie de la manière voulue. 15 La figure 3g représente an circuit dans lequel on utilise un amplificateur opérationnel. Dams ce circuit : Rg : est l'élément métallique de mesure pour la mesure basée sur la conductibilité theraiqae ; 20 Uy : est l'élément métallique de référence pour cette mesure ; Eg : est isSlêiiaa£ métallique de raeswre pou? la mesure basée sur la combustion catalytique ; : est l'élément métallique de référence pour cette mesure. Selon la thftorie de fonctionnement des amplificateurs opéra-25 tioanelr., si ca a&at que : aao 2 Ril =*Cl 5 &10 : R12 " C2 et R10 : R13 * C3 la tension de sortie âa l'amplificateur opérationnel OA est égale à : Vu = Qx . V«x + C2 „ ?82 + C5 . Î2' „ La figure 3, repvësekriie la variation de la valeur de R, en © o 30 forctica du rapport air'combustible;, la variation de la tension V'^ entre les bornes de la résistance R_s la variation de la valeur de la résistance R_ et de / o la tension V'^ entre les bornes de la résistance en fonction du rapport air/combustible (A/G). Il est clair que la teiîcion de sortie de l'amplificateur opérationnel 0AS indiquée par I'instrument 35 lue. Grâce aux résistances «11- R12 et il est possible de régler et d'é BAD ORIGINAL 69 17488 7 2017173 talonner l'instrument de mesure. La figure 4 illustre schématiquement un mode de réalisation possible. Les gaz d* échappe ia4nt sont aspirés dans le tube 1 et dégagés par une pompe aspirante reliée au tube 2. Le tube 1 communique par le tube 3 avec la 5 chambre 4, qui à son tour, est reliée par le tube 5,"au tube d'aspiration 2 ; de plus, le tube 1 communique par le tube 6 avec la chambre 7, qui est aAssi reliée par le tube 8, au tube d'aspiration 2 et qui communique avec l'atmosphère par le tube 9. La chambre 7 contient l'élément de mesure 10 servant à l'ana-10 lyse basée sur le principe de la combustion catalytique des gaz d'échappement ; l'élément de référence 11 qui lui est associé est à l'air libre. La chambre 4 contient l'élément de mesure 12 pour l'analyse, selon le principe de la conductibilité thermique, l'élément de référence 13 qui lui est associé, est également à l'air libre. 15 Le tube 6 contient, entre ses connexions respectives avec le tube 1 et la chambre 7, un orifice calibré 14 ; le tube 9 est presque fermé par l'orifice calibré 15, tandis que le tube 3 caàporte l'ouverture calibrée 16. Les gaz d'échappement passent à travers l'orifice calibré 14, dans la chambre de mesure 7 pour la combustion catalytique, l'air y entrant par 20 l'orifice calibré 15. Ces orifices sont tels qu'il y a une concentration d'air suffisamment forte pour rendre possible la combustion catalytique des constituants combustibles des gaz d'échappement. Le passage 16 est calculé de telle manière que les gaz d'échappement arrivent simultanément dans les chambres de mesure 4 et 7 25 Les éléments de mesure et de référence peuvent être reliés à l'un quelconque des circuits tels que décrits ci-dessus. 69 27488 8 2017173 REVENDICATIONS I- Analyseur de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comprenant un premier élément chauffé par une certaine source d'énergie, dont la température finale est détectée par un premier élément sensible, le 5 premier signal de mesure obtenu étant donc une mesure de la conductibilité thermique des gaz d'échappement s'écoulant le long de ce premier élément, et un second élément, chauffé également par une certaine source d'énergie, de telle manière qu'en période de fonctionnement, ce second élément ait une température suffisamment élevée pour brQler catalytiquement les constituants combustibles 10 du mélange d'air et de gaz d'échappement s'écoulant le long de l'élément, de sorte que la température finale détectée par un second élément sensible et par suite le second éignal de mesure, soit une mesure du pouvoir calorifique des gaz à analyser, tandis que ce second signal de mesure à partir du point de stoechiométrie à des valeurs décroissantes du rapport air/combustible, augmente 15 plus vite, dans ces conditions, que le premier signal de mesure, les deux signaux de mesure ainsi obtenus servant à alimenter un circuit qui fournit un signal de sortie proportionnel à la différence des deux signaux de mesure. 2 - AnaVseur de gaz d'échappement selon la revendication 1, comprenant un premier élément an fil métallique faisant partie d'un circuit 20 électrique de mesure de telle manière que, pendant le fonctionnement, la résistance de l'élément, et ainsi le (premier) signal de sortie du circuit de mesure, soit une mesure de la conductibilité thermique des gaz d'échappement à analyser, què l'on fait s'écouler le long de cet élément, et un second élément en fil métallique relié à un second circuit électrique de mesure, et qui, 25 durant le fonctionnement, a une température telle que lis constituants combustibles du mélange air'gaz d'échappement à analyser et qui s'écoulent le long de ce second élément, sont brQlés catalytiquement, en sorte que la résistance du second élément et ainsi le (second) signal de sortie du second circuit de mesure, soient une mesure du pouvoir calorifique des gaz à analyser, tandis 30 que le (second) signal de sortie à des valeurs décroissantes, à partir du point de stoechiométrie, du rapport air/combustible, s'accroît relativement plus vite que le signal de sortie du premier circuit de mesure dans ces conditions, ces deux signaux de sortie servant à alimenter un circuit de soustraction qui fournit à sa sortie un signal de mesure proportionnel à la différence des deux si-35 gnaux de sortie. 3 - Analyseur de gaz d'échappement selon la revendication 2, 69 27488 9 2017173 caractérisé en es que les deux éléments de masure soat intégrés à deux branches opposées d'un circuit en pont de Wheatstone, les deux branches du pont contenant chacune un élément de référence, de telle œanière que le raêisa courant passe à travers chaque élément de nsesure et l'élément de référence qui lui est 5 associé, tandis que la tension de sortie du pont alimente un indicateur. 4 -• Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce 10 par l'intermédiaire d'une résistance réglable, à l'entrée d'an amplificateur opérationnel fonctionnant comme amplificateur additionneur, à l'entrée «fe.q-sel on applique une tension d'équilibrage au moyen dsime résistance réglable. 5 - Dispositif selon les revàndieatieas 1, à 40 caractérisé par la présence d'un tube i'aliraaatatiore en gAz d*-icoappsssnt à analyser, ce tuée 15 comauniquant par 1* intermédiaire d'un preoisr -srifice calibré avec une première chambre de maure ccstsaant l'élémaat de rassure servaat à mesurer la conductibilité fcho'i-sique, cette presîêre chambre de rassure étant aussi ssliëe avec ta» tube d'aspiration et cosraaniqoant par 1'intermédiaire d'un second orifice calibré, avec une seconde chambra 20 à déterminer le patsvoir csîodfiqne das gss d'éehaopeesnts caste seaœade e!?.:u~ bre de mesure étant aussi reliée au tube d'aspiration et coiraKHïiquant par 1'£;>•• termédiaire d'une troisième oaveïture calibrée, avec l'atmosphère extérieure. g^D ORIGNAL