Brevet FR2667941A1 — publié le 19920417

L'invention a pour objet un dispositif permettant la mesure dynamique de la densité de particules dans un flux gazeux, notamment dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, travaillant selon le principe de la mesure de l'opacité à l'aide d'un tube de mesure, pourvu d'ouvertures opposées de passage des rayons, alignées les unes sur les autres, qui débouchent chacune radialement vers 1 ' exté- rieur dans une chambre délimitée par une fenêtre optique per- mettant l'entrée et la sortie du rayonnement de mesure, ce dispositif étant pourvu d'arrivées d'air de balayage alimentées par une pompe De tels dispositifs, qui sont connus, par exem- ple, depuis le document allemand DE-OS 38 39 348 définissant le genre de l'invention, utilisent l'atténuation d'un rayon lumineux traversant transversalement le flux d'un gaz pour obtenir un signal indicateur de la densité des particules contenues dans le flux gazeux Plus cette densité est élevée, c'est-à-dire, dans le cas des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, la densité de suie dans le flux gazeux, plus la différence d'intensité du rayonnement avant et après son passage à travers le flux gazeux est grande. Si l'on considère le cas d'application préféré de l'invention, à savoir la détermination de la densité des parti- cules présentes dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur de propulsion d-'une automobile, le dispositif doit permettre de déterminer la den- sité des particules avec une grande précision dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur à combustion interne, c'est-à-dire au ralenti comme en fonctionnement sous pleine charge. Un autre problème rencontré dans le cas de disposi- tifs du genre désigné, qui, toutefois, est étroitement lié aux exigences mentionnées ci-dessus, auxquelles doit répondre un tel dispositif, est la protection des fenêtres optiques contre l'encrassement par le flux gazeux L'une des possibilités, qui est reprise également dans le document cité DE-OS 38 39 348, consiste à prévoir des chambres installées devant les fenêtres optiques, dans un sens dirigé vers le flux gazeux, c'est-à-dire dans un sens dirigé vers l'espace intérieur du tube de mesure, dans lesquelles pénètre de l'air de balayage, cet air s'intro- duisant ensuite à l'intérieur du tube de mesure à travers les ouvertures de passage des rayons arrivant dans ces chambres. L'on retrouve ce principe également dans les dispositifs réalisés selon les documents allemands DE-OS 35 03 720 et 36 38 472, à ceci près que le flux gazeux traverse, au niveau de la ligne de mesure, un venturi, et que l'air de balayage est aspiré à l'intérieur du tube de mesure uniquement par dépres- sion, donc sans utilisation d'une pompe à air Mis à part le fait, démontré par essais, que, dans certaines conditions de fonctionnement du moteur à combustion interne, fournisseur du gaz à sonder, l'utilisation d'un tube de mesure du genre à ven- turi peut entraîner des phénomènes d'écoulement indésirables, y compris des phénomènes de reflux, ladite mesure n'assure nul- lement un flux d'air de balayage suffisant sur toute la plage de fonctionnement du moteur Par conséquent, le dispositif se- lon le document DE-OS 38 39 348 cité en préambule comporte une pompe à air destinée à assurer l'injection d'air dans les arrivées d'air de balayage Or cette pompe à air est actionnée par les pulsations du flux de gaz d'échappement du moteur à combustion interne, de telle façon qu'une circulation continue de l'air de balayage n'ait pas lieu; de plus, il existe de nou- veau le risque qu'un flux suffisant d'air de balayage ne soit pas disponible sur toute la plage de fonctionnement du moteur. De plus, le flux pulsé d'air de balayage peut entraver l'écou- lement des gaz dans la ligne de mesure et peut, de ce fait, fausser les valeurs de mesure Si ensuite, dans le cas du dis- positif définissant le genre du présent système, un filament chauffant destiné à empêcher la condensation des particules de suie est utilisé, le contact entre une particule de suie et le filament chauffant peut provoquer l'émission d'un spectre de bande large résultant de la transformation chimique de la par- ticule, ce qui conduit à une autre erreur de mesure. Pour compléter la présentation de l'état de la technique, il sera fait mention brièvement du document allemand DE-AS 1 598 138, qui comporte un dispositif basé sur le principe de la mesure de la diffusion Ici, un insert en forme de tuyère est disposé en amont de la ligne de mesure proprement dite, à l'intérieur du tube de mesure, de telle sorte que la section d'écoulement disponible au niveau de la ligne de mesure soit beaucoup plus grande qu'en amont de celle-ci; une chambre morte annulaire alimentée en air de balayage est agencée entre l'insert et le tube de mesure, cette chambre annulaire débouchant à 1 'intérieur du tube de mesure avant même la ligne de mesure et, de ce fait, dans le flux des gaz Cette concep- tion a l'inconvénient que, selon la vitesse d'écoulement et les pulsations du flux de gaz à déterminer par mesure, le diamètre de la ligne de mesure varie De même, des reflux gazeux créés par des turbulences et des différences de pression ne peuvent pas être exclus Ici encore, l'air de balayage doit être aspiré par la dépression créée à l'intérieur du tube de mesure, aussi le dispositif connu ne peut-il pas être utilisé non plus dans toutes les conditions de contre-pressions des gaz d'échappement créées lors du fonctionnement du moteur à combustion interne raccordé à ce dispositif L'utilisation d'un tel dispositif connu est exclue notamment en amont d'un turbocompresseur à gaz d'échappement, notamment lorsqu'il faut procéder à une analyse des particules de façon sélective par cylindre. Le but de l'invention est de créer un dispositif du genre mentionné, en conservant les avantages de celui-ci, qui permette de déterminer de façon précise la densité des particules, même sur une plage étendue de variations du flux à mesurer, sans risque d'encrassement des fenêtres. Ce but est atteint selon l'invention grâce au fait que le tube de mesure est réalisé, en conservant une section d'écoulement constante sur toute sa longueur, avec une paroi double composée d'un tube externe et d'un tube interne, formant au moins une chambre morte qui, dans le sens de l'écoulement, débouche dans le passage du flux gazeux en aval de la ligne de mesure définie entre les fenêtres optiques D'autres caracté- ristiques et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription détaillée qui va suivre. Grâce à l'utilisation d'un tube de mesure à double paroi, ayant une section d'écoulement des gaz à analyser qui reste constante sur toute la longueur du tube, l'on évite les phénomènes indésirables d'écoulement, tels que des reflux, sur toute la plage de fonctionnement d'un dispositif fournisseur du gaz à mesurer, à savoir principalement sur toute la plage de fonctionnement d'un moteur à combustion interne Etant donné que l'air de balayage n'entre dans le flux gazeux qu'après la ligne de mesure, si l'on considère le sens de l'écoulement, l'air de balayage n'a pas d'influence sur l'opération de me- sure Par ailleurs, dans le cas d'une forme de réalisation pré- férée de l'invention, l'on emploie une pompe à air connue en soi, réglée pour un débit d'air massique constant (par exemple Romega 080 type 84), de manière qu'indépendamment de la contre- pression des gaz régnant dans le tube de mesure, l'on amène toujours une quantité suffisante d'air de balayage pour main- tenir les fenêtres optiques propres Ce système n'est pas im- pératif si, selon une autre réalisation préférée de l'inven- tion, l'on fait pénétrer au moins un autre courant d'air de balayage dans la chambre morte, en amont de la ligne de mesure, qui entraîne la partie de l'air de balayage qui sort par des ouvertures de passage des rayons disposées entre les chambres et la chambre morte et entre dans cette dernière, de telle façon que l'air de balayage ne s'introduise pas, à travers les ouvertures de passage des rayons, à l'intérieur du tube interne. L'invention offre aussi la possibilité avantageuse de mesurer la densité des particules dans les gaz d'échappement de moteurs suralimentés à combustion interne, étant donné que la contre-pression élevée des gaz d'échappement, qui s' installe dans ces conditions dans le tube de mesure, est pratiquement sans effet sur le flux d'air de balayage. Un exemple de réalisation de 1 'invention, montrant le cas d'un dispositif permettant la mesure dynamique de la densité des particules dans un flux de gaz d'échappement, sera décrit par la suite, au vu du dessin annexé, sur lequel la figure 1 montre une vue en coupe longitudinale et la figure 2 représente la vue en coupe transversale indiquée en II-II sur la figure 1. Comme le montre la figure 1, le tube 5 de mesure, composé du tube externe 1 et du tube interne 4 comportant lui- même les deux demi-tubes 2 et 3, est inséré, par l'intermé- diaire de raccordements par brides, dans le tube 6 d'échappe- ment proprement dit du moteur à combustion interne non repré- senté ici, et y est fixé par boulons Le flux des gaz d'échap- pement est indiqué par la flèche Les tubes externe 1 et in- terne 4 renferment une chambre annulaire cylindrique morte 7, qui débouche dans le flux des gaz d'échappement à son extrémité située en aval, dans le sens de l'écoulement, entre les deux demi-tubes internes 2 et 3 Tout le système tubulaire représen- té sur la figure 1 possède un diamètre intérieur qui reste constant sur toute la longueur du système, de façon qu'aucune influence sur le flux des gaz d'échappement, résultant des dif- férences de diamètre, n'apparaisse, en particulier au niveau de la ligne de mesure 8 L'embouchure de la chambre morte 7 dans le passage du flux des gaz d'échappement est constitué par un collet conique formé à l'extrémité aval du demi-tube 3 du tube interne 4, qui englobe l'extrémité aval du demi-tube 2 à une certaine distance de celle-ci. La ligne 8 de mesure est définie par la position des ouvertures 9, 10 de passage des rayons dans le tube interne 4, et celle des ouvertures 11, 12 de passage des rayons dans le tube externe 1; toutes ces ouvertures sont diamétralement opposées les unes aux autres La référence 13 désigne un anneau qui entoure le tube 5 de mesure au niveau de la ligne 8 de me- sure, et qui comporte des canaux 14 et 15 situés coaxialement par rapport aux ouvertures 9 à 12, ces canaux rejoignant radia- lement vers l'extérieur les chambres 16 et 17, étant elles- mêmes délimitées radialement vers l'extérieur par des fenêtres optiques 18 et 19 Dans le cas de l'exemple de réalisation con- sidéré ici, des conducteurs classiques 20 et 21 de lumière par- tent de ces fenêtres, le premier des deux conducteurs étant relié à une source de lumière, et le conducteur 21 de lumière étant relié à un récepteur-convertisseur de lumière faisant partie d'un dispositif analyseur De tels dispositifs analy- seurs sont connus, par exemple, depuis le document allemand DE- OS 35 03 720 déjà mentionné, dans une configuration comportant une régulation, cette régulation ayant pour but d'assurer une intensité constante de la lumière au niveau de l'émetteur. Etant donné que de tels dispositifs analyseurs et régulateurs font partie de l'état de la technique, leur description n'est pas nécessaire ici. La mesure au moyen du dispositif de mesure décrit jusqu'ici s'opère donc de la manière suivante: le tube 1 de mesure est traversé par les gaz d'échappement, et un rayon lu- mineux est émis, à travers le conducteur 20 de lumière, la fe- nêtre 16 et le canal 14, et au travers des ouvertures 12 et 9 de passage des rayons, traverse la ligne 8 de mesure, passe par les ouvertures 10 et 11 de passage des rayons et par le canal , et est enfin acheminé par l'intermédiaire du conducteur 21 de lumière jusqu'au dispositif analyseur Plus la densité des particules dans le flux des gaz d'échappement est élevée, plus la différence entre l'intensité émise et l'intensité reçue de la lumière sera grande; cette différence servant à produire un signal indicateur de la densité momentanée des particules. Afin d'éviter le dépôt de particules sur les surfaces des fenêtres optiques 18 et 19 délimitant les chambres 16 et 17, le dispositif réalisé selon l'invention prévoit plu- sieurs mesures: Au point 22, l'on distingue une arrivée d'air secondaire vers la chambre 16; une arrivée d'air secondaire 23 analogue est également associée à la chambre 17 Ces arrivées d'air secondaires sont agencées de façon que l'on obtienne un courant d'air de balayage qui est dirigé essentiellement le long de la surface de la fenêtre 18 ou 19 dans les chambres 16 et 17; ensuite, l'air de balayage arrive, par l'intermédiaire des canaux 14 et 15, dans la chambre morte 7, d'o il est acheminé vers le flux des gaz d'échappement à l'extrémité aval de cette chambre, à un endroit qui est donc relativement éloigné de la ligne 8 de mesure Une autre mesure contre l'en- crassement des fenêtres optiques 18 et 19 consiste à donner aux ouvertures 9 à 12 et/ou aux canaux 14 et 15 un très faible diamètre, de telle sorte qu'ils remplissent en même temps une fonction d'écran De cette manière, on rend non seulement plus difficile l'introduction de particules dans les chambres 16 et 17, mais on empêche aussi l'arrivée de lumière parasite au ni- veau du récepteur, qui fausserait la valeur de mesure Enfin, l'on utilise ici une pompe à air destinée à alimenter les ar- rivées d'air secondaires 22 et 23, cette pompe étant réglée pour un débit d'air massique constant, c'est-à-dire, un débit indépendant de la contre-pression régnant dans le tube 4 de me- sure Ainsi, l'on assure dans toutes les conditions de marche du moteur à combustion interne et, par conséquent, sous toutes les contre-pressions régnant dans le tube 4 de mesure, un cou- rant d'air de balayage suffisant pour empêcher l'encrassement. Comme le montre nettement la figure 1, les ouvertures 9 et 10 de passage des rayons sont directement opposées aux canaux 14 et 15 servant à conduire l'air de balayage, ce qui fait que, dans certains cas, le courant d'air de balayage s'introduit, d'une manière limitée, dans le flux des gaz d'échappement, à travers les ouvertures 9 et 10 Afin d'éviter ce phénomène, tout en conservant un puissant courant d'air de balayage, l'on peut prévoir, comme l'indique la référence 24, des arrivées supplémentaires d'air de balayage au niveau de la chambre morte 7, qui s'étendent parallèlement à l'axe 25 du dispositif Elles peuvent être constituées également par un perçage réalisé au point 24, dont la section d'écoulement est supérieure (rapport des sections de l'ordre de 3:1, par exemple) à celle des ouvertures avoisinantes de passage des rayons, ouverture 14 dans le cas présent, associé à un dispositif de renversement du flux (tôle déflectrice dans la chambre morte 7) Dans tous les cas, le courant d'air de balayage supplémentaire empêche l'introduction d'air de balayage dans le flux des gaz d'échappement par l'intermédiaire des ouvertures 9 et 10 de passage des rayons. La chambre morte unique peut être remplacée par une série de chambres mortes se succédant dans le sens de la cir- conférence. Afin que des variations de température n'in- fluencent pas la précision de la mesure, l'anneau 13 est prévu en association avec un canal périphérique 26 de fluide de refroidissement, qui évite une distorsion thermique notamment au niveau de l'anneau 13. L'invention fournit ainsi un dispositif du genre mentionné qui, par des moyens simples, offre une grande préci- sion de mesure sur une grande plage de paramètres d'écoulement du flux à sonder. Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nom- breuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Dispositif permettant la mesure dynamique de la densité de particules dans un flux gazeux, notamment dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, travaillant selon le principe de la mesure de l'opacité à l'ai- de d'un tube de mesure, pourvu d'ouvertures opposées de passage des rayons, alignées les unes sur les autres, qui débouchent chacune radialement vers 1 'extérieur dans une chambre délimitée par une fenêtre optique permettant l'entrée et la sortie du rayonnement de mesure, ce dispositif étant pourvu d'arrivées d'air de balayage alimentées par une pompe, caractérisé en ce que le tube ( 5) de mesure est réalisé, en conservant une section d'écoulement constante sur toute sa longueur, avec une paroi double composée d'un tube externe et d'un tube interne ( 1, 4), en formant au moins une chambre morte ( 7) qui, dans le sens de l'écoulement, débouche dans le flux gazeux en aval de la ligne ( 8) de mesure définie entre les fenêtres optiques ( 18, 19). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pompe à air réglée à un débit d'air massique cons- tant débite de l'air vers les arrivées ( 22, 23) d'air de ba- layage. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ouvertures ( 9, 10, 11, 12, 14, 15) de passage des rayons ont des diamètres si petits qu'elles agissent comme des écrans. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'en amont de la ligne ( 8) de mesure, une autre arrivée ( 24) d'air de balayage au moins débouche dans la chambre morte ( 7), dans le plan longitudinal qui contient la ligne ( 8) de mesure, cette arrivée supplémentaire étant réali- sée de telle sorte que le courant d'air de balayage qu'elle crée dans la chambre morte ( 7) entraîne, transversalement à la ligne ( 8) de mesure, la partie d'air de balayage qui s'échappe des ouvertures ( 14, 15) de passage des rayons qui s'étendent entre l'une au moins des chambres ( 16, 17) et la chambre morte ( 7). Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un canal ( 26) de fluide de refroi- dissement est disposé au niveau de l'une au moins des chambres ( 16, 17). 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que les chambres ( 16, 17), les fenêtres ( 18, 19) et, le cas échéant, les arrivées ( 22, 23) d'air de balayage sont disposées dans un corps annulaire ( 13) encerclant le tube ( 5) de mesure. 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au niveau de l'arrivée de la chambre morte ( 7) dans le flux gazeux, le tube interne est divisé en deux demi-tubes ( 2, 3), un élargissement de l'un ( 3) des demi- tubes, situé en aval, englobant l'extrémité opposée de l'autre demi-tube ( 5), en gardant une distance définie par rapport à celle-ci. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fenêtres optiques ( 18, 19) font partie de dispositifs conducteurs de lumière.