Brevet FR2875303A1 — publié le 20060317

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur pour déterminer la concentration d'au moins un composant gazeux, à l'aide d'un élément de capteur. L'invention concerne également un procédé de gestion d'un tel capteur. Etat de la technique Le document DE-200 04 514-U 1 décrit un capteur du type défini ci-dessus comportant un tube protecteur entourant l'élément de capteur. Ce tube est en forme de double tube protecteur. Les deux parties concentriques du tube protecteur définissent une cavité cylindrique chargée d'une matière céramique en forme de fibres en oxyde d'aluminium ou en oxyde de zirconium. Avant d'atteindre l'élément de capteur, le gaz traverse la matière céramique fibreuse qui retient l'humidité des gaz d'échappement si bien que l'humidité ne peut pas se condenser dans la partie intérieure du tube protecteur. On évite ainsi la formation de gouttelettes d'eau de condensation arrivant sur l'élément de capteur et susceptibles de provoquer un choc thermique risquant de faire éclater la matière céramique du capteur. Le document DE-30 00 993-A1 décrit un capteur pour dé-terminer la concentration en oxygène. Selon ce capteur, l'élément de capteur est couvert d'un capot protecteur en matière frittée poreuse, par exemple en un alliage de nickel très réfractaire. Le capot protecteur assure non seulement la protection de l'élément de capteur vis-à-vis des varia- tions de pression et des variations de température mais également une protection contre l'empoisonnement de l'élément de capteur par exemple par des composés de souffre, de phosphore ou de plomb contenus dans les gaz. La surface du capot tournée vers l'élément de capteur peut être revêtue d'une matière formant catalyseur et assistant le réglage de l'équilibre thermo dynamique dans le gaz. Le document DE-10 2004 012 928-A1 (non publié antérieu- rement) décrit un capteur du type défini ci-dessus comportant un tube protecteur revêtu d'une matière formant catalyseur. Le catalyseur favorise la conversion des composants gazeux réducteurs comme par exemple le monoxyde de carbone, les hydrocarbures et l'hydrogène avec les compo- sants gazeux oxydants comme par exemple l'oxygène. Le monoxyde de carburant, les hydrocarbures et l'hydrogène peuvent être dégagés dans les gaz d'échappement par une combustion riche pour laquelle le coefficient d'air lambda est inférieur à l'unité. Les composants gazeux réducteurs peuvent être produits dans les gaz d'échappement également par une combustion maigre cor- respondant à un coefficient d'air lambda supérieur à l'unité si la combustion est incomplète ou si de tels composants gazeux sont intentionnellement introduits dans les gaz d'échappement en aval de l'opération de combustion. Les composants de carburant brûlés contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne peuvent arriver dans les gaz d'échappement par exemple par une post-injection de carburant ou par une pulvérisation intentionnelle. Ces moyens peuvent provoquer le chauffage direct ou indirect des dispositifs de traitement des gaz d'échappement. Le réglage de l'équilibre thermo dynamique dans les gaz par l'utilisation du catalyseur augmente la précision de mesure du capteur qui peut avoir une sensibilité transversale par exemple vis à vis d'hydrocarbures ou de l'hydrogène. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un capteur pour déterminer la concentration d'au moins un composant gazeux notamment la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement de pro-cédés de combustion de préférence dans le gaz d'échappement de moteurs à combustion interne ainsi qu'un procédé de gestion du capteur permettant une meilleure précision des mesures. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un capteur du type défini ci-dessus, caractérisé par un champ de plasma en amont de l'élément de capteur du capteur selon la direction de passage du gaz. L'invention concerne également un procédé de gestion d'un tel capteur. Le champ de plasma favorise par son effet ionisant des composants gazeux, le réglage de l'équilibre thermo dynamique en aval du champ de plasma dans le sens de passage des gaz. Dans le cas de gaz par exemple des gaz d'échappement de préférence d'un moteur à combustion interne qui contient par exemple du monoxyde de carbone, des hydrocarbures, et de l'hydrogène comme composants réducteurs du gaz ainsi que de l'oxygène comme composant oxy- dant, l'oxygène libre oxyde très largement les composants réducteurs du gaz. La sensibilité transversale du capteur vis-à-vis des composants gazeux réducteurs ne peut plus dans ces conditions se développer. L'effet ionisant du champ de plasma développe de courtes chaînes d'hydrocarbures, uniformes en partant de chaînes d'hydrocarbures de longueurs variables. On augmente ainsi également la précision de mesure du capteur qui peut être détériorée par des vitesses de diffusion différentes des diverses chaînes d'hydrocarbures de longueurs différentes dans l'élément de capteur. Selon un développement, l'élément de capteur comporte un tube protecteur qui l'entoure et reçoit le champ de plasma. Le tube protecteur évite d'une part le refroidissement de l'élément de capteur le cas échéant chauffé et évite d'autre part une sollicitation accidentelle de l'élément de capteur notamment par des particules entraînées dans la veine de gaz. Un développement avantageux prévoit l'installation d'au moins un catalyseur en aval du champ de plasma. Le catalyseur favorise les réactions développant l'équilibre thermodynamique dans le gaz. Le catalyseur soutient en outre le développement de chaînes d'hydrocarbures courtes, uniformes. Dans la mesure où il y a un tube protecteur, le catalyseur peut être réalisé comme revêtement sur la face intérieure du tube protecteur. En variante ou en plus, le catalyseur peut être réalisé comme revêtement de l'élément de capteur. En outre le catalyseur peut être installé dans l'élément de capteur, selon une variante ou en complément des caractéristiques ci-dessus. D'autres développements concernent le champ de plasma. Selon un développement on peut prévoir plusieurs paires d'électrodes entre lesquelles se développe chaque fois un champ de plasma. Cette caractéristique permet de réduire les tensions d'allumage et de combustion du plasma. Un autre développement prévoit un revêtement céramique des électrodes pour former une décharge barrière diélectrique. Avantageusement la distance entre les électrodes d'une paire d'électrodes est comprise dans une plage entre 0,5 mm et 3 mm, et l'élément de capteur est conçu pour saisir la concentration d'oxygène du gaz. Le procédé de gestion du capteur selon l'invention est prévu avantageusement pour saisir la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne; ce procédé prévoit de développer le champ de plasma en fonction de l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. Ce moyen permet de minimiser la consommation d'énergie pour développer le champ de plasma. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre l'environnement technique dans lequel s'utilise un capteur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe simplifiée du capteur selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre un moteur à combustion interne 10 dont la partie aspiration comporte un capteur d'air 11 et dont la partie des gaz d'échappement est équipée d'un capteur 12 ainsi que d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement 13. Le capteur d'air fournit un signal d'air mL à une commande 15; le capteur 12 fournit un signal de capteur lam. Le moteur à combustion interne 10 fournit à la commande n le signal de vitesse de rotation ou signal de régime (n). La commande 15 reçoit en outre un signal de consigne de couple MFa. La commande 15 fournit un signal de dosage de carburant mK au moteur à combustion interne 10. La commande fournit le signal de carburant mK à un dis-positif d'injection de carburant non détaillé du moteur à combustion in-terne 10 en fonction d'au moins une valeur de consigne de couple MFa déduite de la pédale d'accélérateur non détaillée du véhicule automobile également non détaillé. Le cas échéant, le signal de carburant mK dépend en outre du signal d'air mL et/ou du signal de capteur lam et/ou du signal de vitesse de rotation ou signal de régime (n). La figure 2 est une coupe simplifiée du capteur 12. Le capteur 12 comporte un élément de capteur 20 logé dans un tube protecteur 21 dont la face intérieure est munie d'un catalyseur 22a, 22b. Plusieurs paires d'électrodes 23a, 23b sont prévues dans le tube protecteur 21, entre lesquelles se développe un champ de plasma 24. Les paires d'électrodes 23a, 23b sont reliées à une source de tension alternative 25. Les flèches tracées à la figure 2 indiquent la direction d'écoulement 26a, 26b du gaz en amont et en aval du champ de plasma 24. Après avoir tra- versé le champ de plasma 24 et être passé sur le catalyseur 22a, 22b, le gaz arrive sur l'élément de capteur 20 pour finalement quitter le tube protecteur 21 par les orifices 28a, 28b. Le dispositif de traitement des gaz d'échappement 13 est constitué par exemple par un catalyseur et/ou un filtre à particules. Les gaz d'échappement arrivant dans la zone des gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10 peuvent contenir des composants réduc- teurs comme par exemple du monoxyde de carburant, des hydrocarbures et de l'hydrogène ainsi que des composants oxydants comme par exemple de l'oxygène. Le capteur 12 est par exemple réalisé pour saisir la teneur en oxygène des gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10. Le capteur 12 peut avoir une sensibilité transversale vis à vis de composants réducteurs des gaz d'échappement. En outre le capteur 12 peut présenter un comportement dépendant des longueurs de chaînes variables des hydrocarbures contenus dans les gaz d'échappement et reposant sur des vitesses de diffusion différentes liées aux différentes longueurs de chaînes dans l'élément de capteur 20. Le moteur à combustion interne 10 peut travailler dans des modes de fonctionnement différents. De tels modes ou états de fonctionnement sont prédéfinis notamment du point de vue du conditionnement du dispositif de traitement des gaz d'échappement 13. Une combustion riche avec un coefficient d'air lambda inférieur à l'unité est prévue par exemple pour régénérer un catalyseur accumulateur d'oxydes NOx. Une combustion riche avec un coefficient d'air inférieur à l'unité peut en outre être prédéfinie pour le chauffage direct ou indirect du dispositif de traitement des gaz d'échappement 13 par exemple d'un catalyseur ou d'un filtre à particules. Dans le cas du chauffage direct, les composants combustibles des gaz d'échappement passent sur un revêtement catalytique du dispositif de traitement des gaz d'échappement pour être oxydés par l'oxygène présent soit celui contenu comme oxygène résiduel dans les gaz d'échappement soit celui introduit dans les gaz d'échappement par une alimentation en air secondaire. La réaction exothermique favorisée par le revêtement catalytique chauffe le dispositif de traitement des gaz d'échappement 13 d'une manière directe. Dans le cas du chauffage indirect, les composants combus- tibles des gaz d'échappement sont oxydés par un catalyseur d'oxydation non détaillé, prévu par exemple en amont du dispositif de traitement des gaz d'échappement 13 qu'il faut chauffer et la réaction exothermique con- duit dans le catalyseur d'oxydation au chauffage des gaz d'échappement pour chauffer directement le dispositif de traitement des gaz d'échappement 13. On peut en outre prévoir une combustion maigre en soit dans le moteur à combustion interne 10 avec un coefficient d'air, lambda supérieur à l'unité et alors les composants réducteurs des gaz d'échappement sont introduits par exemple par une post-injection de carburant à l'intérieur du moteur ou par une pulvérisation précise dans les gaz d'échappement. Par des essais on a constaté que le champ de plasma 24 fa- vorise le réglage de l'équilibre thermodynamique en aval du champ de plasma 24 dans la direction de passage par action ionisante des différents composants des gaz qui est en moyenne maigre mais contient néanmoins encore des composants réducteurs. L'élément de capteur 20 installé en aval du champ de plasma 24 dans le sens de passage des gaz est ainsi sollicité d'une part avec moins d'oxygène et d'autre part avec des composants gazeux considérablement moins oxydants. La sensibilité transversale éventuelle vis à vis des composants gazeux oxydants dans l'élément de capteur 20 ne se répercute plus dans ces conditions sur le signal de capteur lam. Dans le cas d'un gaz maigre qui contient seulement peu de composants réducteurs, le champ de plasma 24 soutient le réglage pratiquement total de l'équilibre thermodynamique dans les gaz en aval du champ de plasma 24 si bien que pour une telle composition des gaz on augmentera la précision de mesure du capteur 12. Dans un gaz moyennement riche avec de nombreux composants gazeux réducteurs et qui contient toujours de l'oxygène, le champ de plasma 24 favorise également le réglage de l'équilibre thermo dynamique dans les gaz en aval du champ de plasma 24 de sorte que le signal de capteur lam traduit une mesure du manque d'oxygène avec une grande précision. Dans le cas d'un gaz riche qui ne contient que peu d'oxygène, le champ de plasma 24 favorise de nouveau le réglage pratiquement total de l'équilibre thermodynamique en aval du champ de plasma 24 si bien que pour une telle composition, la précision de mesure du capteur 12 sera augmentée. De façon générale dans le cas d'un gaz contenant des hydrocarbures avec des longueurs de chaînes différentes (indépendamment de la teneur en oxygène) on aura une augmentation considérable de la précision de la mesure du fait que le champ de plasma 24 réduit la longueur des chaînes par action ionisante et assure que cette longueur de chaîne soit aussi réduite que possible et en particulier que les chaînes soient de longueur aussi égale que possible. Ainsi grâce à la longueur de chaîne uniforme, le risque d'erreur du signal de capteur lam fourni par le capteur 12 par des vitesses de diffusion différentes dans l'élément de capteur 20 liées aux longueurs de chaînes différentes des hydrocarbures disparaît ainsi. Selon un développement particulièrement avantageux du capteur 12 selon l'invention, en aval du champ de plasma 24 on a prévu au moins un catalyseur 22a, 22b qui favorise les réactions pour régler l'équilibre thermo dynamique et le cas échéant le développement d'hydrocarbures avec des longueurs de chaînes aussi uniformes que possible. Selon un développement, le catalyseur 22a, 22b peut être un composant distinct. Selon un autre développement au moins un catalyseur 22a, 22b est réalisé sous la forme d'un revêtement de la face intérieure du tube protecteur 21. Selon une autre réalisation en variante ou en complément, le catalyseur se présente sous la forme d'un revêtement de l'élément de capteur 20. Selon une autre réalisation en variante ou en complément, le catalyseur est prévu dans l'élément de capteur 20. La source de tension alternative 25 développe le champ de plasma 24. Cette source de tension alternative fournit une tension alter- native avec des amplitudes suffisantes pour allumer le plasma 24. Après l'allumage du plasma 24, on peut diminuer directement la tension de la source de tension alternative 25 car la tension de combustion du plasma 24 est inférieure à sa tension d'allumage. Un premier moyen de réduction de la tension nécessaire à l'allumage et à la combustion prévoit d'installer plus d'une paire d'électrodes 23a, 23b. Comme autre moyen on peut également revêtir les paires d'électrodes 23a, 23b avec une matière céramique pour développer une décharge de barrière diélectrique Comme moyen supplémentaire, on choisit la distance entre les électrodes 23a, 23b aussi faible que possible de préférence comprise entre 0,5 mm et 3 mm pour influencer que faible-ment l'écoulement du gaz. Un développement prévoit de ne faire fonctionner la source de tension alternative 25 que pour certains états prédéfinis de fonction- nement du moteur à combustion interne 10. Il s'agit de préférence d'états de fonctionnement susceptibles de produire des gaz d'échappement qui ne sont pas à l'équilibre thermodynamique. De préférence on prévoit égale- ment des états de fonctionnement pour lesquels on risque d'avoir une te- neur importante d'hydrocarbure dans les gaz d'échappement et qui ont de façon générale des chaînes de longueurs différentes. Ce moyen permet ainsi de développer le champ de plasma 24 avec une consommation d'énergie aussi faible que possible. io REVENDICATIONS 1 ) Capteur pour déterminer la concentration d'au moins un composant gazeux, à l'aide d'un élément de capteur, caractérisé par un champ de plasma (24) en amont de l'élément de capteur (20) du capteur (12) selon la direction de passage (26a, 26b) du gaz. 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un tube protecteur (21) entoure l'élément de capteur (20), et le champ de plasma (24) se trouve dans le tube protecteur (21). 3 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé par au moins un catalyseur (22a, 22b) prévu en aval du champ de plasma (24) dans le sens de passage (26a, 26b). 4 ) Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le catalyseur (22a, 22b) est réalisé sous la forme d'un revêtement du tube protecteur (21). 5 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé par plus d'une paire d'électrodes (23a, 23b) entre lesquelles se développe le champ de plasma (24). 6 ) Capteur selon la revendication 5, caractérisé par au moins une paire d'électrodes (23a, 23b) munies d'un revêtement céramique. 7 ) Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance entre les électrodes d'une paire d'électrodes (23a, 23b) est comprise dans une plage entre 0,5 mm et 3 mm. 8 ) Capteur selon la revendication 1, lo caractérisé en ce que l'élément de capteur (20) est conçu pour saisir la concentration d'oxygène du gaz. 9 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur est conçu pour saisir la concentration en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10). 10 ) Procédé de gestion du capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le champ de plasma (24) est prévu en fonction du mode de fonctionnement du moteur à combustion interne (10).