Brevet FR2348487A1 — publié le 19771110

La présente invention due à la collaboration de Monsieur RENEVOT se rapporteà une sonde de détection de variations de composition d'un flux de mélange gazeux et en particulier de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne dépollués. Les sondes de détection de variations de composition de gaz d'échappement, appelées "sondes lambda" connues actuellement sont habituellement constituées d'une cloison en électrolyte so lide, par exemple de l'oxyde de zirconium, produisant une diffé- rence de potentiel entre la face soumise, aux gaz dtéchappement et l'autre face, soumise à l'air libre. Ces cloisons ont généralement une forme tubulaire fermée dite "doigt de gant", ou celle d'une plaque plane. Ces différents types présentent des inconvénients. Pour la sonde dite "à doigt de gant" la zone de référence entant mi volume d'air relativement fermé à l'intérieur de la forme en "doigt", renouvellement de cet air se fait mal, celu--cl risque dl être pollué par le gaz d'échappement environnant, surtout s'il nsy a pas une étanchéité parfaite entre la zone air et la z ne gaz d'échappement. Les dilatations et les vibrations rendent cette étanchéité difficile à réaliser, particulièrement pour la forme de réalisation à plaque plane ou pastille, où le joint d'étanchéité se trouve nécessairement placé au niveau du flux de gaz d'échappement à haute température. Ces deux aspects des réalisations actuelles exigent donc une technologie compliquée entraînant une fabrication délicate et donc onéreuse d'autant plus que les rudes conditions de fonctionnement nécessitent souvent leur changement par suite de rupture ou d'encrassement. Le remplacement de ces sondes est rendu difficile du fait de cette technologie complexe et de l'environnement de leur fonctionnement, provoquant oxydation et collage des parties assemblées . L'objet de presente invention est une sonie de detec- tion de variations de composition de gaz d'échappement essentiellement composée d'un tube d'électrolyte solide ouvert aux deux extrémités et monté transversalement dans le tube d'échappement Les deux extrémités du tube sont donc en communication avec l'air libre, et cette particularité permet une libre circulation de l'air à l'intérieur du tube. Ce tube est supporté par les joints qui sont montés à l'extérieur du tube d'échappement dans les zones plus froides. Les liaisons électriques sont également montées dans ces zones froides a une extrémité du tube pour l'une et par l'intermédiaire des joints sur la partie externe d'un des supports de ces joints pour 11 autre. Le tube d'électrolyte solide est protégé à l'@@térieur de la sonde par un tube en acier réfractaire perforé. Plus généralement, la sonde selon l'invention a pour objet la détection de variations de composition d'un flux de mé lange gazeux à partir d'un effet de pile sur une électrolyte solide dont une face est soumise aux gaz à mesurer et l'autre face à un gaz de. référence. Elle se caractérise en ce que l'électro- lyte solide a la forme d'un tube ouvert à ses extrémités et traversant le flux de gaz à mesurer entre deux joints dtétanchéité le gaz de référence passant à l'intérieur du tube. Le flux gazeux a mesurer parcourt un conduit dont les parois recoivent des corps tubulaires alignés axialement dans lesquels sont comprimés les joints d'étanchéité assurant 7e centrage et le maintien en position axiale du tube électrolyte traversant lesdits joints d'étanchéité. La compression ciels joints est assurée par des honchons filetés ouverts par un trou central dans lequel sengagent,sans contact et libres,les extrémités du tube-électrolyte. Le tube-électrolyte est entouré sans contact, dans la zone du flux de gaz à mesurer, par un tube de protection dont les perforations assurent le passage dudit gaz autour de la surface externe du tube-lectrolyte. Les perforations sont constituées d'au oins une fe te longitudinale disposée rans la zone frontale et centrale du tube recevant le flux de gaz à mesurer et de perforations latérales d'échappement du flux capté par la fente frontale. En variante les perforations peuvent être constituées de deux lignes d'orifices diamétralement opposés dans le sens de l'écoulement du flux de gaz à mesurer. Le conduit d'écoulement du flux gazeux à mesurer et les corps tubulaires recevant les joints peuvent entre avantageusement réalisés en une seule pièce de fonderie en fonte réfractaire. ans ce cas le tube e rotection est rapporté dans 12 pièce coulée sous forme d'un insert, ses extré@ités y étant laissées libres par revêtement préalable d'un poteyage épais. Les joints d'étanchéité sont avantageusement for@és @'un manchon en cuivre-graphite comprimé entre deux ron@elles en feutre d'alliage métallique réfractaire formant contact électrique sur la surface externe du tube-électrolyte. Dans une autre variante de réalisation,les corps tubulaires ont une forme allonge assurant le refrcidissement de leurs extrémités contre l'échauffe ent par le flux de gaz à mesurer, lesdites extrémités recevant Ces joints d'étanchéité en matériau synthétique plastinue, par exemple de simples joints toriques. Les joints d'étanchéité C'extrémité pourront également comprimer un joint longitudinal en matériau thermo-gonflable rem- plissant l'espace entre les tubes supports de joints et le tubeélectrolyte. Le fil de raccordement à électrode de référence en contact électrique avec la surface interne du tube électrolyte viendra à travers le passage de gaz de référence central d'un bouchon isolant. Le contact électrique du fil de raccoreement contre la face interne du tube pourra entre assuré par le pincement d'une épingle métallique élastique prolongeant ledit fil dans ledit tube. Dans une principale application de l'invention le flux de gaz à mesurer sera celui des gaz dtéchappement dtun moteur à combustion interne dans le conduit d'écoulement des gaz d'échappement à la sortie dudit moteur, en vue de sa dépollution en cours de marche. Dans cette disposition de sonde selon lsinvention où 11 électrolyte solide est un tube ouvert aux deux extrémités, les deux extrémités ouvertes à 1'extérieur de la sonde permettent une libre circulation de l'air dans la partie référence de la sonde. Du fait du renouvellement constant de l'air de la référenceJau moins par convection due à l'échange calorifique, l'étanchéité absolue du montage,indispensable pour les sondes dites à doigt de gant ou à pastilles,ne devient pas aussi impérative. Les étanchéités sont reportées dans les zones les plus froides hors du flux des gaz d'échappement, les contacts élec- triques également, sur les extrémités du tube électrolyte. L'électrolyte solide est protégé à l'intérieur de la sonde par exemple par un tube en acier réfractaire perforé assurant une protection contre l'abrasion du gaz et l'homogénéité du gaz au niveau du revêtement catalytique. Le démontage et le changement périodique du tube de zircone devient possible e par sa forme tubulaire simple, qui permet sa fixation par les seuls joints d'étanchéité dans lesquels il est enfilé. La fabrication de ce tube est silphe et peu couûteuse,par exemple par extrusion, sans nécessiter d'usinage supplémentaire, ni aucun changement de section ou dtépaisseur(ce qui par ailleurs favorise sa résistance aux chocs thermiques)0 Deux embouts métalliques, diamétralement opposés sur le tube d'échappement assurent les fonctions suivantes a) étanchéité aux gaz b) contacts électriques c) positionnement du tube de zircone d) amortissement des vibrations e) libre dilatation du tube de zircone f) libre dilatation du tube de protection de la zircone. Un exemple de réalisation de la sonde objet de lin- vention sera décrit ci-dessous en référence aux dessins annexés où - la figure 1 représente, à échelle agrandie une coupe d'un élé ment de tubulure d'échappement équipé de la sonde selon l'invention t - la figure 2 représente, à échelle plus réduite, le même élé ment réalisé par fonderie;; - la figure 3a représente en coupe transversale suivant III (fig.2) et 3b en coupe longitudinale un exemple de tube de protection de la sonde montrant les ouvertures favorisant un bon passage et renouvellement des gaz d'échappement autour du tube électrolyte de la sonde - les figures 4a et 4b montrent dans les mimes conditions, un autre exemple de dispositions dtouvertures de passage ; - la figure 5 montre un exemple de réalisation de joint de mon tage à partir de matériau thermo gonflable - la figure 6 montre un autre exemple de réalisation des joints à partir de simples joints toriques. Sur la figure 1 est représenté un élément de conduit d'échappement 2 pouvant Otre raccordé entre le collecteur d'échap- pement et la tubulure dtévacuation vers le silencieux par des brides 1. Des corps tubulaires 4, diamétralement opposés, sur un même axe diamétralssont soudés par des cordons de soudure 3 sur la tubulure 2. Des éléments d'étanchéité 5, comprimés dans le corps 4 par des bouchons vissés 6 maintiennent sur un axe diamétral de la tubulure 2 le tube électrolyte 7 de la sonde, pouvant Outre par exemple une céramique en zircone stabilisée frittée. Sur la face 8 du bouchon 6 pourra être prévue une fermeture grillagée, par exemple un courercle en matériau élastique protégeant contre les poussières externes le tube 7 tout en laissant un certain passage à la circulation gazeuse. une protection similaire pourra Autre assurée à l'extrémité opposée par un bouchon également en matériau plastique isolant 13 fixé sur le bouchon fileté 12 assurant de ce côté le serrage du joint 5. Un orifice, au centre du bouchon 13 laissera sortir le fil de raccordement 14 venant en contact avec le revêtement intérieur du tube de zircone 7. Des rondelles 9, par exemple en mousse ou feutre d'acier inoxydable ou réfractaire, sont placées de part et d'autre des joints 5 dont elles assurent le maintien latéral. De part et d'autre du joint cuivre graphite (5) se trouvent 2 joints souples préformés en mousse d'acier inoxydable (9). tube perforé 10, en acier inoxydable, entoure le tube électrolyte 7 de la sonde dans son passage à travers la tubulure 2, protégeant celui-ci contre l'érosion du flux de gaz d' échappement. Dans la variante selon la figure 2, où l'élément de tubulure (1 2) est réalisé sous forme d'une pièce moulée 29, par exemple en fonte réfractaire, le tube 10 peut être mis en place sous forme d'un insert lors de la coulée de la pièce 29. Ltétanchéitéw aux gaz, selon l'exemple de la figure 1, est obtenue par compression de joints en cuivre-graphite (5) entre le diamètre extérieur du tube de zircone (7) et le diamètre intérieur des embouts (4) dont le rôle est de maintenir le joint cuivre-graphite (5) en compression uniforme La compression des joints (5) et (9) est obtenue par le vissage des bouchons métalliques (6) et (12). Le jeu entre le diamètre extérieur du tube de zircone (7) et le diamètre intérieur le plus petit de l'émbout (4) sera de l'ordre de 0,1 à 2 mm J au diamètre,et de préférence de 0,5 à 0,8 min. L'exemple de la figure 2 montre le même principe d'étanchéité que pour la figure 1. Sur les modes de réalisation des figures 5 et 6 l'étan- chéité est obtenue à plus basse température et à l'extrémité des embouts (23) et (25) par des joints toriques 27 ou de forme appropriée (22), mis en compression par les bouchons (18) et (24) ou (27) et (30), les Joints d'étanchéité 22 et 27 pourront être en matériau plastique tel que Tèflan au Vital. Leur température d'utilisation ne sera pas dépassée si la longueur des embouts 23 ou 25 est adnée à cette obligation et permet un refroidissement suffisant de leurs extrémités. Selon la figure 5, la cavité 17 de 11 embout peut être remplie de matière thermo-gonflable qui assure en plus un meilleur positionnement du tube en zircone par blocage de celui-ci. De tels matériaux thermo-gonflables sont commercialement connus, notamment 1tun dteux commercialisé par la Société 3M (Minnesota Mining and Manufacturing, Co) qui double de volume vers 6500C et convient à de telles applications. Le Jeu entre le diamètre extérieur du tube de zircone (7) et le plus petit diamètre des embouts 18, 23 ou 25 sera de s - 0,1 à 2 mm au diamètre et de préférence 0,5 à 0,8 mn pour le cas de la figure 5 et de - 0,1 à 2 mm au diamètre,de préférence 1 mm pour le cas de la figure 6. L'électrolyte solide avantageusement constituée par le tube7 est en oxyde de zirconium stabilisé à la chaux ou à l'oxyde d'yttrium. Le tube 7 est ouvert aux 2 extrémités, il pourra avoir un diamètre extérieur compris entre 4 et 12 mm et de préférence de 6 mn et un diamètre intérieur compris entre 2 et 10 mm de préférence 4 mm. Les faces internes et externes du tube seront recouvertes d'un dépôt catalytique métallique appliqué par peinture en vaporisation sous vide suivant des techniques connues. La protection de ce tube en zircone 7 est assurée par le tube concentrique externe métallique 10 ou 11 (fig. 3b). Les figures 3a et b montrent un exemple de perforations comportant deux fentes parallèles frontales orientées face au flux des gai d'échappement (sens des flèches en A, fig. 2a) qui s1 échappent par des trous latéraux après un brassage turbulent de l'espace intercalaireentre les deux tubes. Les fig. 4a et 4b montrent un autre exemple de réalisation des perforations, suivant deux lignes diamétralement opposées dans le sens du passage des gas. On peut envisager la possibilité pour le tube en acier réfraotaire de se dilater librement dans les deux logements des embouts 4. Dans ce cas le Jeu entre le diamètre extérieur du tube et le diamètre intérieur de l'embout (4) sera de 0,1 à 0,3 mm au diamètre de préférence 0,1 à 0,2 mm, et le jeu entre l'extrémité du tube (io) et le fond du logement dans l'embout (4) sera de 1 à 2mm de préférence 1mm, Dans le cas de la figure 2 où le tube est un insert dans la pièce coulée, on obtiendra ces veux en revêtant les extré- mités du tube 10 d'un poteyage épais. Les dispositions d'ouvertures des figures 3 et 4, a et b, permettent, dans le blocage par soudure d'un côté du tube (11) en rotation dans le logement de l'embout en laissant l'autre côté du tube libre de ses dilatations (avec les jeux prévus), après un certain nombre de kilomètres de faire tourner d'un demi-tour, le tube de zircone 7 et de présenter devant les ouvertures du tube 11 un resetement catalytique encore intact de toute érosion pour prolonger,pour un kilométrage équivalent, la durée de fonctionne- ment du tube électrolyte 7. Les contacts électriques entre les surfaces électrodes du tube 7 seront constitués, pour le pôle négatif,d'un contact sur le revêtement externe catalytique par l'intermédiaire du joint en matériau cuivre-graphite (5) obtenu tout naturellement par la pression du joint sur la surface. Le raccordement au pSle positif est effectue par la soudure d'un fil de contact (t4) sur le revêtement intérieur du tube de zircone (7) avec sortie du fil par la pièce isolante (13)é Dans les cas des figures 5 et 6, le pôle négatif à son contact sur le revêtement extérieur catalytique par un joint pré-formé (21) par exemple en mousse dtacier inoxydable maintenu en compression par les pièces isolantes (19) et (28).- Le pôle positif sera réalisé suivant le même principe que pour les cas des figures 1 et 2, suivant une soudure du fil 14 sur la face métallisée interne du tube 7.On pourra également mettre à profit la forme tubulaire en réalisant le contact électrique sur la face interne par une épingle élastique pincée dans la paroi interne du tube et raccordée au fil 14. Cette solution à l'avantage de rendre le tube électrolyte aisément interchangeable sans subir aucune opération de raccordement. La métallisation du tube électrolyte 7 sera avantageusement réalisée sur toute sa surface extérieure, en contact avec le gaz à mesurer, par un revêtement en métal à l'état divisé obtenu par projection ou vaporisation sous vide, ce métal ayant un effet catalytique sur le gaz à doser. Par exemple, dans une application au dosage de composants de gaz d'échappement d'un moteur, cet effet catalytique pourra agir sur la combinaison de dioxyde de carbone et de l'hydrogène du gaz de combustion avec de ltoxygène en excès, dans la zone de surface du tube électrolyte 7; permettant ainsi d'augmenter la sensibilité à la mesure de l'excédent ou du déficit du mélange gazeux en oxygène par rapport aux conditions de mélange stoechiométrique des composants de la combustion. - REVENDICATIONS 1 - Sonde de détection de variations de composition d'un flux de mélange gazeux à partir d'un effet de pile sur une électro- lyte solide dont une face est soumise aI CRI à mesurer et l'autre face à un gaz de référence, caractérisée en ce que l'électrolyte solide a la forme d'un tube (7) ouvert à ses extrémités et traversant le flux de gaz à mesurer entre des joints d'étanchéité (5, 17) le gaz de référence passant à l'intérieur du tube (7). 2- Sonde de détection suivant la revendication 7 caractérisée en ce que le flux gazeux à mesurer parcourt un conduit (2, 15, 29) dont les parois reçoivent, alignés axialement,des corps tubulaires (23, 25) dans lesquels sont comprimés les joints d'étanchéité (5, 17, 22, 27) assurant le centrage et le maintien en position axiale du tube 4lectrolyte (7) traversant lesdits joints d'étanchéité. 3 - Sonde de détection selon la revendication 2, caracteri- sée en ce que la compression des joints (5, 17) est assurée par des bouchons filetés ouverts par un trou central dans lequel s'engagent sans contact et libresen extrémité les extrémités du tube-électrolyte (7). 4 - Sonde de détection selon la revendication 7 caractérisée en ce que le tube - électrolyte (7) est entouré sans contact, dans la zone du flux de gaz à mesurer, par un tube de protection (10,11) dont des perforations assurent le passage dudit gaz autour de la surface externe du tube-électrolyte (7)e 5 - Sonde de détection selon la revendication 4 caractérisée en ce que les perforations sont constituées d'au moins une fente longitudinale disposée dans la zone frontale du tube (10, ii) recevant le flux de gaz à mesurer et de perforations latérales d'échappement du flux capté par la fente frontale. 6 - Sonde de détection selon la revendication 4 caractérisée en ce que les perforations sont constituées de deux lignes d'orifices diamètralement opposés dans le sens de l'écoulement du flux de gaz à mesurer. 7'- Sonde de détection selon la revendication 2 caractérisée en ce que le conduit d'écoulement (, 15) du flux gazeux à mesurer et les corps tubulaires (4, 23, 25) recevant les joints (5, ?7 22 et 27) sont réalisés en une seule pièce de fonderie en fonte réfractaire (29). 8(- Sonde de détection selon la revendication 7 caractérisée en ce que le tube de protection (10, 11) est rapporté dans la pie ce coulée (29) sous forme d'un insert, ses extrémités y étant laissées libres par revêtement préalable d'un poteyage épais. 9 - Sonde de détection selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que les joints d'étanchéité (5) sont formés d'un manchon en cuivre graphite comprimé entre deux rondel@@@ (9) en feutre d'alliage métallique réfractaire formant contact électrique sur la surface externe du tube - électrolyte (7). 10 - Sonde de détection selon la revendication 2, caractérisée en ce que les corps tubulaires (4) ont une foni allongée (23, 25) assurant le refroidissement de leurs extrémités contre l'échauffement par le flux de gaz à mesurer, lesdites extrémi@és recevant des joints d'étanchéité (22, 27) e matériau synthétique plastique. 11.- Sonde de détection selon la revendication 10, caractérisée en ce que les joints d'étanchéité (22, 27) d'extrémité compriment un joint longitudinal (1j) en matériau thermo-gonflable remplissant l'espace entre les tubes (23, 25) et le tube-électrolyte(7) 120- Sonde de détection selon llune quelconque des revendications précèdentes, caractérisée en ce qu'un fil de raccordement (14) vient, à travers le passage de ga? de référence central d'un bouchon isolant (19, 28, 13), en contact électrique avec la surface interne du tube électrolyte (7). 130- Sonde de détection selon la revendication 12, caractéri- sée en ce que le contact électrique du fil (14) contre la face in- terne du tube (7) est assuré par le pincement d'une épingle metal- lique élastique prolongeant ledit fil dans ledit tube. 14 - Sonde de détection selon l'une quelconque des revendications précèdentes , caractérisée en ce que le flu de gaz å mesurer est celui des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dans le conduit d'écoulement des gaz d'échappement à la sortie dudit moteur. 150- Sonde de détection selon l'une quelconque des revendi.cations précédentes, caractérisée en ce que le tube électrolyte (7) reçoit sur toute sa surface extérieure en contact avec les gaz à mesurer, un revêtement d@ rital divisé servant d'électrode de la pile électrolytique, tout en assurant un effet catalytique, de combinaison d'oxyde de carbone Co et d'hydrogène H2 avec de l'oxy gère 02, ceci dans lin petit volume aut ui du tube éiectrolyte (7) dans le cas d'un flux de mélange gazeux constitué par les gaz d'échappement d'un moteur.